深水系泊系統(tǒng)靜力特性快速計算方法研究*

張火明1 范 菊2 楊建民2

1．中國計量學(xué)院計算機軟件及理論研究所 杭州 310018 2．上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室 上海 200030

深水系泊系統(tǒng)靜力特性快速計算方法研究*

張火明1 范 菊2 楊建民2

1．中國計量學(xué)院計算機軟件及理論研究所 杭州 310018 2．上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室 上海 200030

為研究深水系泊系統(tǒng)靜力特性，以工作水深為320 m的轉(zhuǎn)塔式浮式生產(chǎn)存儲系統(tǒng)為例，首先計算出每種類型錨泊線的水平張力TH-水平跨距X曲線、上端系纜點水平移動距離、每根錨泊線新的水平跨距，插值求出此時的每根錨泊線水平張力，投影合成后即得上端系纜點移動后的系泊系統(tǒng)X方向水平恢復(fù)力，垂直方向的恢復(fù)力計算方法與此類似。相應(yīng)計算結(jié)果與Dynfloat軟件結(jié)果相吻合。

深海平臺 系泊系統(tǒng) 靜力特性

世界范圍內(nèi)海洋開發(fā)正在向深海進軍，許多 創(chuàng)新研制的適用于深海開發(fā)的新型海上石油生產(chǎn)處理裝置不斷涌現(xiàn)［1］，其中就包括浮式生產(chǎn)儲油輪（FPSO）、半潛式平臺、張力腿式平臺（TLP）、單柱式平臺（SPAR）等已獲得廣泛成功應(yīng)用的新型平臺。這些海上漂浮結(jié)構(gòu)物的海上定位需要通過動力定位和錨泊系統(tǒng)的約束來實現(xiàn)［2-5］。其中錨泊系統(tǒng)在海洋和海岸工程中的應(yīng)用十分廣泛，形式也多種多樣，受力情況十分復(fù)雜，通常情況下無法得出解析的表達形式，而不得不采用數(shù)值分析的方法來實現(xiàn)［2-5］。目前研究中，對錨鏈系統(tǒng)靜力分析［6-7］的方法很多，給出了很多應(yīng)用程序，用于求解錨鏈系統(tǒng)的受力和變形，其計算過程一般需采用多次迭代的方法，最終找到錨鏈頂端受力與錨鏈頂端位置的關(guān)系，一般很耗機時，因此有必要考慮采用簡單直觀的方法。

1 錨泊線靜力計算理論

1．1 錨泊線靜力計算基本方程

錨泊線可由多段不同重量和尺寸的索或鏈組成，段與段之間可有集中質(zhì)量（懸掛重錘或浮球）。方法對松弛（有剩余索鏈躺在海底的）和張緊的（索鏈全部提起其下端拉力傾斜的）兩種系泊狀態(tài)均適用。

圖1 錨泊線上任一微段靜平衡受力分析圖

見圖1，錨泊線上的任一微段ds及在它上面的各個作用力。

根據(jù)圖1從靜平衡關(guān)系可得到

從幾何關(guān)系則可得到

上面各式中的ε、G、F按下列公式計算

式中：A——錨泊線橫截面積；

E——錨泊線材料彈性模量；

ρ——海水密度；

C——錨泊線等效直徑；

CN——法向阻力系數(shù)（對圓形纜索取為1．2）；

CT——切向阻力系數(shù)，

其中：d、e——纜索形狀及表面有關(guān)的系數(shù)，對圓形纜索d＝—0．035，e＝—0．035。

將式（5）～（7）分別代入式（1）～（4），便得到一組微分方程［3］，根據(jù)給定的錨泊線邊界條件，對這組微分方程進行積分，即可得到沿錨泊線的各點處張力T與其傾角φ，以及各點的坐標X、Y。對這組一階微分方程，積分方法選用適應(yīng)性較強，精度較高的變步長龍格-庫塔（Runge-Kutta）法［8］。

對于由多段不同重量和尺寸的索鏈組成的錨泊線，在進行積分時，可將前一段末端的積分結(jié)果作為相連的后一段始端的邊界條件連續(xù)進行積分。若考慮流速沿水深的變化，可將流速表示成水深的函數(shù)Vc（Y），Y是錨泊線上點的縱坐標，是與水深Hw相對的，見圖2。

圖2 流速沿水深變化圖

1．2 錨泊線靜力方程定解條件

一般地，認為錨泊線靜力方程式（1）～（4）存在4個定解條件［9］：給定錨泊線上端預(yù)張力；給定錨鏈頂端預(yù)張力傾角；給定錨泊線水平泊距；給定錨碇處的水平面坐標。

選用第1個定解條件作為求解錨泊線靜力方程的初始輸入，積分從錨泊線上端（浮體系纜樁處）開始逐步向下，對于浮筒和重塊，將其水中重量均布在所在的積分錨泊線分段。當給定預(yù)張力后，可唯一確定錨泊線上端點的初始傾角，將其視為一個一維優(yōu)化問題，采用黃金分割法［9］進行一維尋優(yōu)，固定預(yù)張力，尋求最適合的初始傾角，使得到達海底時，錨鏈傾角最?。ㄅc海底相切，這里假設(shè)觸底錨鏈沒有全部提起，即錨泊線上端點張力沒有達到極端情況），傾角取值范圍設(shè)定在（0°，90°）。應(yīng)該注意的是，存在一個預(yù)張力的最小值，使得錨泊線上端幾乎垂直向下（初始傾角近似為90°），如果給定的預(yù)張力小于此值，錨泊線靜力方程將無解。

1．3 錨泊線水平投影計算方法

對錨泊線進行靜力特性計算時，當達到海底切點處停止。此時，錨泊線觸底分段傾角α為0°，張力為Tb，設(shè)躺底部分錨泊線軸向剛度為AEb（對于有多個分段的錨泊線，假設(shè)僅有底部分段躺底，這在錨泊線正常工作，亦即錨泊線上端張力不過于小時一般是成立的），所受海底摩擦力為Ff，錨泊線與海底相切點橫坐標為X，則，錨泊線水平投影長度為

式中：Lt——錨泊線拉伸前總長度；

Lu——錨泊線在與海底相切點以上部分拉伸前長度；

Ff——海底摩擦力，F(xiàn)f＝Cfb·Wb，

其中：Cfb——海底摩擦力系數(shù)；

Wb——躺底錨鏈水中重量。

1．4 錨泊系統(tǒng)總靜力特性計算方法

1）給出單根錨泊線的一系列預(yù)張力，錨泊線有幾種類型，就給出幾種預(yù)張力系列。對每種類型錨泊線，預(yù)張力系列范圍應(yīng)該包括該種類型錨泊線在所選海況作用下可能出現(xiàn)的張力上下限區(qū)間。預(yù)張力點數(shù)一般不能少于8個，因為隨后要進行插值計算，點數(shù)太少精度不夠，也不必太多，否則耗時過長，大多數(shù)情況下可選10～25個。

2）對每個給定的預(yù)張力T計算出錨泊線相應(yīng)的水平跨距X和上端點傾角φ，以離散點的形式給出張力T-水平跨距X曲線、水平張力FX-水平跨距X曲線和垂直張力FZ-水平跨距X曲線，其中，F(xiàn)X、FZ為

3）依次給出上端系纜點水平移動距離dX（一般以系統(tǒng)初始靜平衡時位置為0點，偏移距離可依次取為—2、—4、—6、…、—50 m，這里假設(shè)縱蕩偏移范圍為—50～0 m），對每個dX相應(yīng)的計算每根錨泊線新的水平跨距，再根據(jù)這些新的水平跨距在對應(yīng)的T-X、FX-X和FZ-X曲線中插值（插值方法選用適用性較強、精度較高的一元全區(qū)間不等間距拉格朗日（lagrange interpolate）插值法［9］）求出此時的每根錨泊線上端點張力、水平張力和垂直張力，將水平張力向X軸正方向投影，合成后即得上端系纜點移動后的錨泊系統(tǒng)X方向水平恢復(fù)力，垂直張力直接合成即可得上端系纜點移動后的錨泊系統(tǒng)Z方向垂直恢復(fù)力。完成一系列dX計算后，便可得到錨泊系統(tǒng)總的水平恢復(fù)力-水平偏移曲線和錨泊系統(tǒng)總的垂直恢復(fù)力-水平偏移曲線。對任一個dX，其計算過程可描述如下。

圖3 錨泊總系統(tǒng)靜力特性計算示意圖

見圖3，假設(shè)錨泊系統(tǒng)中某一根錨泊線初始水平投影長度為L0，初始布錨角為α，上端點初始傾角為φ0，系泊點向X軸正向移動dX后，相應(yīng)的，該錨泊線水平投影長度（水平跨距）變?yōu)長1+，上端點傾角為φ1，根據(jù)余弦定理有

根據(jù)L1+值可插值計算出此時該錨泊線上端點水平張力FX1+和垂直張力FZ1+，再把水平張力FX1+向X軸方向投影即可得出此時該錨泊線對整個錨泊系統(tǒng)的水平恢復(fù)力貢獻，見式（12）。

從而有

將錨泊系統(tǒng)所有錨泊線對整個系統(tǒng)恢復(fù)力的貢獻疊加即可得整個錨泊系統(tǒng)在移動dX時的水平恢復(fù)力，如式（15）所示。

式中：n——錨泊系統(tǒng)錨泊線總根數(shù)；

FX+（T）——X向總恢復(fù)力；

FX+（i）——第i根錨泊線的貢獻（X向分力）。

同樣地，將錨泊系統(tǒng)所有錨泊線上端點垂直張力疊加亦可得整個錨泊系統(tǒng)在移動dX后的垂直恢復(fù)力，見式（16）。

式中：FZ+（T）——Z向總恢復(fù)力；

FZ+（i）——第i根錨泊線的貢獻（Z向分力）。

對于本文選取的轉(zhuǎn)塔式FPSO，由于其具有風(fēng)標效應(yīng)，因此常關(guān)心其向負向移動后的總恢復(fù)力情況，計算過程同上述方法相類似，注意此時dX為負值。

2 算例及分析

2．1 系統(tǒng)描述

選用工作水深為320 m的轉(zhuǎn)塔式FPSO的系泊系統(tǒng)［8］作為研究對象。該FPSO采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)塔、系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)3個部分，系泊系統(tǒng)由3組各3根共9根系泊纜組成，3組系泊纜成間隔120°均勻布置，每組3根系泊纜成5°間隔均勻布置。見圖4，系泊纜數(shù)量為3×3，不考慮立管系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)塔主要參數(shù)和布置位置見表1。

每根系泊纜自上（與轉(zhuǎn)塔連接）而下（與海底錨連接）分別由接轉(zhuǎn)塔鋼索、中間鋼索和末端錨鏈這3段組成。各段鋼索和錨鏈的具體參數(shù)與屬性見表2。每根系泊纜的預(yù)張力為300 k N。

圖4 轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)布置平面圖

表1 轉(zhuǎn)塔主要參數(shù)

表2 320 m 水深系泊纜主要參數(shù)與屬性（實際值）

2．2 錨泊系統(tǒng)靜力計算模塊的驗證

荷蘭Marin水池開發(fā)了一套轉(zhuǎn)塔式FPSO水動力計算軟件，其中Dynfloat模塊可以計算轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)的靜力特性，計算精度很好，為驗證筆者所編制的轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)的靜力特性計算模塊的計算精度，現(xiàn)比較它和Dynfloat對320 m水深系泊系統(tǒng)靜力特性計算結(jié)果。

計算時選取的控制參數(shù)如下：允許垂直跨距計算值與要求值誤差精度εz為0．005；積分精度ε為0．000 01；錨泊線預(yù)張力T0系列點數(shù)為20，錨泊線預(yù)張力T0系列見表3；需要輸出的X-T離散點數(shù)為26；水平位移增量間隔ΔX為—2．0；具有代表性的錨泊線布錨角為295°。計算時取均勻流速為0．0 m／s，縱蕩偏移范圍取為—50．0 m，步長取為—2．0 m，從0開始計算到—50．0 m，共26個點。

表3 320 m水深錨泊線預(yù)張力系列

圖5 系泊系統(tǒng)靜力特性計算結(jié)果比較

圖6 系泊系統(tǒng)垂向恢復(fù)力特性計算結(jié)果比較

本次計算共耗時約15 s，消耗機時與水深和錨泊線長度有直接的關(guān)系，水深越深，錨泊線越長，計算時需要積分的步數(shù)越多，相應(yīng)的時間也會越長。兩種模塊系統(tǒng)水平恢復(fù)力特性和單根錨泊線張力特性計算結(jié)果比較見圖5，垂向恢復(fù)力特性計算結(jié)果比較見圖6，考慮到繪圖習(xí)慣，仍將橫坐標按正值標出。

從圖5、6可見，作者開發(fā)模塊和Dynfloat模塊計算結(jié)果十分吻合，該模塊完全可用于深水系泊系統(tǒng)靜力特性計算，其精確性是值得信賴的。

3 結(jié)語

提出一種較為簡潔自然的方法求解深水系泊系統(tǒng)靜力特性，對松弛的和張緊的兩種系泊狀態(tài)都適用，相應(yīng)計算結(jié)果與Dynfloat軟件結(jié)果吻合得很好。此方法比較簡單直觀，容易理解，并且耗時相對較少，比較適用于深水系泊系統(tǒng)靜力特性計算。進一步的研究還需要效率更高，速度更快的計算方法［9］，還可以借助更好的計算機硬件系統(tǒng)，以縮短深水系泊系統(tǒng)靜力特性計算消耗的時間。

［1］Rolf Baarholm，F(xiàn)abio Gondim Palazzo．Hybrid Verification of a DICAS Moored FPSO［C］．Proc．of 14th ISOPE Conf．1 Toulon．France，2004：307-314．

［2］陳徐軍，崔維成，沈 慶．對稱式布置錨鏈系統(tǒng)的線性化處理［J］．海洋工程，2002，20（1）：75-79．

［3］潘 斌，高 捷，陳小紅，陳家鼎．浮標系泊系統(tǒng)靜力計算［J］．重慶交通學(xué)院學(xué)報，1997，16（1）：68-73．

［4］于定勇．水下錨泊系統(tǒng)計算［J］．青島海洋大學(xué)學(xué)報，1995（專輯）：100-105．

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［6］繆國平．撓性部件力學(xué)導(dǎo)論［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1996．

［7］黃祥鹿，陸鑫森．海洋工程流體力學(xué)及結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1992．

［8］張火明．基于等效水深截斷的混合模型試驗方法研究［D］．上海：上海交通大學(xué)，2005．

［9］滕 斌，郝春玲，韓 凌．Chebyshev多項式在錨鏈分析中的應(yīng)用［J］．中國工程科學(xué)，2005，17（1）：21-26．

Investigation on quick computation method for the static characteristics of deep water mooring system

ZHANG Huo-ming1FAN Ju2YANG Jian-min2
1．School of Computer Software and Theory China Jiliang University Hangzhou 310018 2．State Key Laboratory of Ocean Engineering Shanghai Jiaotong University Shanghai 200030

A turret moored FPSOin water depth of 320m is selected toinvestigate the computational method of the static characteristics of the deep water mooring system．Firstly，the curve of horizontal tension TH against horizontal span Xis calculated and the results are expressed in discrete points．The horizontal transfer distance of the top point is presented in turn to calculate the corresponding new horizontal span of every mooring line．The horizontal tension of every mooring line is calculated by numerical interpolation in the corresponding TH-X curve according to the new horizontal span．Projecting TH at direction of X and integrating it as total，the horizontal restoring force on the top point at direction Xof the mooring system can be got．The calculation of the vertical restoring forceis similar to that mentioned above．The results are compared with those from Dynfloat and the agreement is good．

deep sea platforms mooring system static characteristics

P75 TP309

A

1671-7953（2007）02-0064-05

2006-07-20

修回日期2006-09-25

張火明（1976—），男，博士，講師。

*國家自然科學(xué)青年基金資助項目（編號：10602055）

*中國計量學(xué)院校立項目（編號：XZ0501）