半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

樊 磊，孫麗萍，王宏偉，王金光

(1．哈爾濱工程大學(xué) 深?？茖W(xué)與技術(shù)創(chuàng)新引智基地，黑龍江 哈爾濱 150001；2．煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

樊 磊1，孫麗萍1，王宏偉1，王金光2

(1．哈爾濱工程大學(xué) 深?？茖W(xué)與技術(shù)創(chuàng)新引智基地，黑龍江 哈爾濱 150001；2．煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)興起了大力發(fā)展半潛式起重平臺(tái)的勢(shì)頭，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是該類型平臺(tái)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。采用時(shí)域方法對(duì)半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合動(dòng)力分析，研究系泊系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)特性的影響，并給出主要參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化流程，在此基礎(chǔ)上，以能夠滿足安全校核且性能較優(yōu)的系泊方案為目標(biāo)，對(duì)該半潛式起重平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究單根系泊纜發(fā)生破斷對(duì)整個(gè)系泊系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明：基于主要參數(shù)對(duì)系泊性能的影響規(guī)律，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的系泊方案，預(yù)留的安全欲度適中，能夠保障半潛式起重平臺(tái)在惡劣海況下的生存能力，同時(shí)具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

半潛式起重平臺(tái)；系泊系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化；耦合分析

海洋油氣資源的大力開(kāi)采促使能夠完成海上重型起重作業(yè)的半潛式起重平臺(tái)(semi-submersible crane vessel，簡(jiǎn)稱SSCV)一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。目前，國(guó)內(nèi)正興起大力發(fā)展半潛式起重平臺(tái)的勢(shì)頭[1]。然而，隨著鉆采海域向深海的拓展，半潛式起重平臺(tái)在深海惡劣海況下的生存能力受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2-3]，并且該類型平臺(tái)作業(yè)海域極為廣泛，迫切需要安全可靠且對(duì)不同作業(yè)海域具有更好適應(yīng)性的系泊系統(tǒng)。同時(shí)，系泊纜作用于錨端的垂向提升力又會(huì)對(duì)該類型平臺(tái)常用的拖曳嵌入錨產(chǎn)生不利影響，須嚴(yán)格控制，因此，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化一直被視為半潛式起重平臺(tái)開(kāi)發(fā)中的焦點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。

董璐等[4]采用模型試驗(yàn)和時(shí)域準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)起重船與系泊系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究了水深變化對(duì)淺水中的系泊起重船運(yùn)動(dòng)的影響；童波等[5]分析了系泊纜直徑、長(zhǎng)度、預(yù)張力角度等因素對(duì)深水半潛平臺(tái)系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響；宋安科[6]采用時(shí)域耦合動(dòng)力分析的方法對(duì)深水半潛式鉆井平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，研究了系泊纜材料、頂部張角、頂部預(yù)張力、軸向剛度以及平臺(tái)作業(yè)水深對(duì)系泊系統(tǒng)的定位能力和強(qiáng)度影響；馮愛(ài)春等[7]采用時(shí)域分析方法研究某半潛式平臺(tái)在不規(guī)則波作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，重點(diǎn)研究了系泊纜發(fā)生斷裂對(duì)其運(yùn)動(dòng)譜和系泊纜張力譜的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究較少，大多是以半潛式鉆井或采油平臺(tái)為研究對(duì)象。因此，文中以某半潛式起重平臺(tái)為研究對(duì)象，采用耦合動(dòng)力分析方法，研究系泊系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)特性的影響，以能夠滿足安全校核且性能較優(yōu)的系泊方案為目標(biāo)，對(duì)該半潛式起重平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究單根系泊纜發(fā)生破斷對(duì)整個(gè)系泊系統(tǒng)的影響，旨在為半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化選型提供參考。

1 系泊系統(tǒng)分析方法

分析系泊浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及與它相連的系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)主要采取三種方法：解耦分析、耦合和半耦合分析。而根據(jù)所分析的浮體形式、設(shè)計(jì)階段或作業(yè)工況等的不同，可以采取不同的分析方法，通常有以下幾種方式：頻域解耦分析、時(shí)域半耦合分析、時(shí)域半耦合分析加時(shí)域耦合分析、頻域耦合分析、頻域耦合分析加時(shí)域耦合分析以及頻域解耦分析加時(shí)域耦合分析[8]。

這里對(duì)所研究的半潛式起重平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)采用頻域耦合分析與時(shí)域耦合分析相結(jié)合的分析方式，主要探討該平臺(tái)系泊系統(tǒng)在1 000 m水深時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，其中以時(shí)域耦合分析方法為主。

耦合分析是將浮體與系泊系統(tǒng)集成在同一個(gè)模型中，同時(shí)求解由系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性和浮體6個(gè)自由度剛體運(yùn)動(dòng)方程組成的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，完全考慮浮體與系泊系統(tǒng)的相互作用，考慮了細(xì)長(zhǎng)體對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的所有的影響，如剛度、阻尼、波浪載荷、流載荷以及慣性等。浮體與系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

2 系泊系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

2.1風(fēng)載荷和流載荷

為準(zhǔn)確獲得半潛式起重平臺(tái)的風(fēng)載荷和流載荷，對(duì)該平臺(tái)分別進(jìn)行了模型風(fēng)洞剛性測(cè)力試驗(yàn)和模型水池拖航阻力試驗(yàn)。

根據(jù)模型試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)載荷和流載荷，按照式(2)計(jì)算得到風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)，并根據(jù)各自的模型縮尺比以及作業(yè)海域的實(shí)際風(fēng)速和流速，換算得到實(shí)船的風(fēng)載荷和流載荷。

2.2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

文中所研究的半潛式起重平臺(tái)的系泊系統(tǒng)主要是保障平臺(tái)在惡劣海況下的生存能力，因此，環(huán)境條件選用十年一遇的風(fēng)暴狀態(tài)與一年一遇的環(huán)流狀態(tài)，如表1所示。為了獲得最不利的環(huán)境載荷，采用風(fēng)浪流同向。規(guī)定環(huán)境載荷入射方向：0°為船尾指向船艏，90°右舷指向左舷。

表1 環(huán)境條件Tab. 1 Metocean conditions

這里主要關(guān)注半潛式起重平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)情況，即系泊纜的頂端張力和錨端提升力。

參考ABS規(guī)范[10]和API規(guī)范[8]中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該半潛式起重平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行安全校核。

由于ABS規(guī)范對(duì)系泊纜安全系數(shù)的規(guī)定不完整，僅給出了采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法時(shí)系泊纜校核所需的安全系數(shù)，所以參考API規(guī)范，按照式(3)對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行修正，獲得了采用動(dòng)態(tài)分析方法時(shí)系泊纜的安全系數(shù)SFd，并得到ABS的認(rèn)可。

半潛式起重平臺(tái)通常使用拖曳嵌入錨，該類型錨對(duì)于系泊纜垂向提升作用的承受能力與海底土壤條件密切相關(guān)，在砂質(zhì)土壤或硬質(zhì)黏土中因嵌入深度受到影響會(huì)對(duì)提升力較為敏感[11]，提升力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致錨被拉離海床，造成系泊系統(tǒng)失效，所以須同時(shí)對(duì)系泊纜的錨端提升力進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保系泊系統(tǒng)的可靠性。

安全系數(shù)和錨端提升力的校核標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 系泊系統(tǒng)校核標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Design criteria

2.3平臺(tái)與系泊系統(tǒng)主要參數(shù)

該半潛式起重平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，采用2個(gè)浮箱，4個(gè)大立柱，2個(gè)小立柱以及數(shù)個(gè)斜撐和橫撐，關(guān)于中縱剖面對(duì)稱，平臺(tái)的具體參數(shù)如表3所示。

圖1 半潛式起重平臺(tái)示意Fig. 1 Aft view of the semi-submersible crane vessel

項(xiàng)目長(zhǎng)/m寬/m高/m主甲板807038(距龍骨)下浮體118158前立柱151525后立柱17.51525

該半潛式起重平臺(tái)最大作業(yè)水深為1 000 m，采用懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)為宜，該系泊系統(tǒng)由4組12根對(duì)稱布置的系泊纜組成，如圖2所示。每根系泊纜采用鋼纜和鋼鏈的組合形式，鋼纜上端與平臺(tái)導(dǎo)纜孔相連接，鋼鏈末端與錨基礎(chǔ)相連接，鋼纜和鋼鏈的材料屬性根據(jù)統(tǒng)一工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]進(jìn)行選取，如表4所示。

圖2 半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)布置形式示意Fig. 2 Arrangement of mooring system

項(xiàng)目鋼纜鋼鏈直徑/mm7676長(zhǎng)度/m22502000干重/(kg·m-1)26.85123.00濕重/(kg·m-1)22.5798.40軸向剛度/kN333960550000破斷強(qiáng)度/kN49005000慣性力系數(shù)Ci2.02.0縱向曳力系數(shù)Cd1.82.4

3 結(jié)果分析

3.1系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

影響懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)性能的因素主要包括：系泊系統(tǒng)的布置形式(系泊纜根數(shù)、系泊纜組數(shù)、布置角度等)、頂端預(yù)張力、分段系泊纜的組成成分以及組合方式、組成成分的材料屬性(直徑、長(zhǎng)度、干重、濕重、軸向剛度、破斷強(qiáng)度以及動(dòng)力特性等)、絞車的應(yīng)用等。在系泊系統(tǒng)的諸多參數(shù)中，系泊纜的破斷強(qiáng)度是設(shè)計(jì)過(guò)程中的最為關(guān)鍵的參數(shù)，直接或間接地影響系泊系統(tǒng)中的絕大多數(shù)參數(shù)的選取，應(yīng)予以優(yōu)先確定，系泊纜的半徑、軸向剛度等基本參數(shù)由于直接影響到系泊纜的破斷強(qiáng)度，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中通常不進(jìn)行探討，而是以初步設(shè)計(jì)方案為準(zhǔn)。因此，本文主要研究系泊纜的布置角度、系泊纜組成成分的長(zhǎng)度以及頂端預(yù)張力對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，以能夠滿足安全校核且性能較優(yōu)的系泊方案為目標(biāo)，采用時(shí)域耦合動(dòng)力分析方法，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行選取，并對(duì)初步確定的優(yōu)化方案進(jìn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。具體流程如圖3所示。

圖3 系泊方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程Fig. 3 Design and optimization procedure for mooring system

3.1.1 布置角度

系泊纜采用2 250 m鋼纜和2 000 m鋼鏈組合的初始長(zhǎng)度，根據(jù)預(yù)先進(jìn)行的頻域耦合計(jì)算，初步選定預(yù)張力約為769 kN(最小破斷強(qiáng)度的15.69%)，系泊纜之間的夾角分別選為7.5°、10°、12.5°、15°、17.5°和20°，布置形式參考圖2。不同布置角度的時(shí)域耦合動(dòng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 布置角度對(duì)系泊纜動(dòng)力響應(yīng)的影響 Fig. 4 Comparison of dynamic response results of mooring lines with different arrangement angles

由圖4可見(jiàn)，隨著系泊纜夾角的減小，各浪向下受力最大的系泊纜所在位置相同，但其頂端張力卻呈減少的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著系泊纜夾角的減小，組內(nèi)系泊纜更有效地提供系泊系統(tǒng)的回復(fù)力，減小受力最大的系泊纜所承受的載荷，降低了其動(dòng)力響應(yīng)程度，但同時(shí)也需要考慮由布置角度減小帶來(lái)的同組系泊纜之間的碰撞問(wèn)題。

由表5可知，隨著系泊纜夾角的減小，平臺(tái)在迎浪時(shí)的縱蕩偏移量和橫浪時(shí)的橫蕩偏移量都有所增加，說(shuō)明系泊纜夾角的減小導(dǎo)致該布置形式的系泊系統(tǒng)的定位能力下降。

該半潛式起重平臺(tái)的系泊系統(tǒng)以保證平臺(tái)在惡劣海況下的生存能力為目的，因此，在優(yōu)化布置角度時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，而平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)作為次要因素予以關(guān)注，同時(shí)兼顧同組系泊纜間的碰撞問(wèn)題，將該系泊系統(tǒng)的布置角度選為12.5°。

表5 平臺(tái)迎浪時(shí)的縱蕩偏移量和橫浪時(shí)的橫蕩偏移量Tab. 5 Surge displacement in head sea and sway displacement in beam sea

3.1.2 系泊纜長(zhǎng)度

系泊半徑過(guò)大會(huì)降低系泊系統(tǒng)抵御環(huán)境載荷的有效性，系泊系統(tǒng)重量過(guò)大會(huì)減小起重平臺(tái)的可變載荷，降低其有效起重能力，所以在保證系泊系統(tǒng)安全性的前提下，合理地減小系泊半徑能夠有效提高平臺(tái)和系泊系統(tǒng)性能。

預(yù)先進(jìn)行的頻域耦合計(jì)算結(jié)果顯示：布置角度為12.5°時(shí)，最危險(xiǎn)環(huán)境載荷入射角度為30°。因此，選取該角度作為系泊纜長(zhǎng)度優(yōu)化過(guò)程中環(huán)境載荷的入射角度。初選預(yù)張力約為769 kN。由于單位長(zhǎng)度下鋼鏈的濕重較鋼纜的濕重大得多，減小鋼鏈的長(zhǎng)度對(duì)提高平臺(tái)作業(yè)能力和系泊系統(tǒng)性能更為顯著，所以，設(shè)定鋼鏈長(zhǎng)度由初始的2 000 m依次減小，鋼纜長(zhǎng)度保持2 250 m不變，進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)力分析，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

隨著鋼鏈長(zhǎng)度的減小，受力最大系泊纜的頂端張力和錨端提升力均逐漸增加，頂端張力呈近似線性化增加，錨端提升力在鋼鏈長(zhǎng)度小于900 m后迅速增加。參考校核標(biāo)準(zhǔn)，鋼鏈長(zhǎng)度宜選為800 m。

3.1.3 頂端預(yù)張力

系泊纜的預(yù)張力對(duì)系泊系統(tǒng)的性能影響較大，預(yù)張力不宜過(guò)小或過(guò)大，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致系泊纜出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，降低系泊系統(tǒng)抵御環(huán)境載荷的有效性，過(guò)大則會(huì)造成系泊纜張緊過(guò)度，系泊系統(tǒng)對(duì)環(huán)境載荷過(guò)于敏感，整體安全性降低。

根據(jù)系泊纜長(zhǎng)度優(yōu)化結(jié)果，選定鋼鏈長(zhǎng)度為800 m，鋼纜長(zhǎng)度為2 250 m。調(diào)整預(yù)張力傾角，以約為50 kN(最小破斷強(qiáng)度的1%)的步長(zhǎng)將預(yù)張力由678 kN逐漸增大至1 014 kN，對(duì)平臺(tái)和系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)力分析。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同長(zhǎng)度鋼纜下的系泊纜頂端張力和錨端提升力的統(tǒng)計(jì)最大值Fig. 5 Comparison of dynamic response results of mooring lines with different chain lengths

圖6 不同預(yù)張力下的系泊纜頂端張力和錨端提升力的統(tǒng)計(jì)最大值Fig. 6 Comparison of dynamic response results of mooring lines with different pretensions

隨著系泊纜預(yù)張力的增加，受力最大系泊纜的頂端張力和錨端提升力均逐漸增加，這是由于預(yù)張力的增加導(dǎo)致系泊纜的張緊程度增加，從而提高由系泊纜受到拉伸而產(chǎn)生的回復(fù)力。預(yù)張力的增加能夠提高系泊系統(tǒng)的定位能力，但同時(shí)增加了系泊系統(tǒng)的負(fù)荷，降低其對(duì)惡劣海況的抵御能力。因此，參照校核標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到預(yù)張力不宜過(guò)大或過(guò)小，認(rèn)為之前頻域耦合計(jì)算得到的769 kN預(yù)張力較為適合。

根據(jù)各參數(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)該半潛式起重平臺(tái)的系泊方案，主要參數(shù)如表6所示。

表6 系泊系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2設(shè)計(jì)方案安全性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

為了評(píng)估設(shè)計(jì)方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性，在完整和破損工況(單根失效后系泊系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài))下，進(jìn)行全浪向的時(shí)域耦合動(dòng)力計(jì)算。為了獲得具有較高置信度的系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)API規(guī)范推薦[8]，對(duì)每個(gè)浪向均進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為3小時(shí)的5個(gè)波浪隨機(jī)數(shù)的計(jì)算，并采用最大響應(yīng)平均值法統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

從偏于安全的角度出發(fā)，工程上對(duì)破損工況中的失效系泊纜的選取較為嚴(yán)格，通常將完整工況中張力第二大的系泊纜進(jìn)行破損處理，從而對(duì)完整狀態(tài)系泊系統(tǒng)中受力最大的系泊纜進(jìn)行更為苛刻的檢驗(yàn)。完整工況和破算工況的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 完整工況和破損工況系泊系統(tǒng)的安全系數(shù)和錨端提升力對(duì)比Fig. 7 Comparison of safety factors and uplift loads between intact mooring system and damaged mooring system

分析圖7中的計(jì)算結(jié)果可知：

1)完整工況下，危險(xiǎn)浪向?yàn)?50°，此時(shí)12號(hào)系泊纜受力最大，頂端張力達(dá)到1 887 kN，相應(yīng)的安全系數(shù)為2.60。最大的錨端提升力出現(xiàn)在75°浪向下，為25.03 N，但由于各個(gè)浪向的錨端提升力均較小且相差無(wú)幾，所以認(rèn)為在150°浪向下環(huán)境載荷對(duì)系泊系統(tǒng)的影響最大。參照校核標(biāo)準(zhǔn)，系泊系統(tǒng)在完整工況下能夠通過(guò)安全校核。

2)完整工況下，各個(gè)浪向下受力最大系泊纜的受力情況呈現(xiàn)出比較均勻的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明該系泊方案對(duì)各個(gè)入射角度下的環(huán)境載荷具有良好的適應(yīng)性。

3)破損工況下，危險(xiǎn)浪向?yàn)?20°，此時(shí)系泊纜的頂端張力和錨端提升力均出現(xiàn)大幅增加，最小安全系數(shù)達(dá)到2.02，最大錨端提升力達(dá)到1 802.38 N，均能夠通過(guò)安全校核。其中，盡管最大錨端提升力大幅增加，但仍不致對(duì)拖曳嵌入錨的嵌入深度造成顯著影響。

4)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的系泊系統(tǒng)，在完整工況和破損工況下都具有較好的安全性和經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

為了進(jìn)一步研究單根系泊纜出現(xiàn)破損對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，以完整工況下的最危險(xiǎn)浪向150°為例，對(duì)比分析完整工況和破損工況下各根系泊纜的受力情況，如圖8所示。

圖8 150°浪向下，完整工況和破損工況各根系泊纜受力分布情況對(duì)比Fig. 8 Comparison of tension distributions in intact mooring system and damaged mooring system

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受力第二大的11號(hào)系泊纜發(fā)生斷裂，系泊系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，與發(fā)生破損的11號(hào)系泊纜同組的10號(hào)和12號(hào)系泊纜受力明顯增加，且呈現(xiàn)出更不穩(wěn)定的狀態(tài)，而與該組相對(duì)的第2組中4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)系泊纜的受力則略有降低，穩(wěn)定性也略有增加，其余兩組系泊纜由于處在與發(fā)生破斷的11號(hào)系泊纜和環(huán)境載荷垂直的方向上，并未受到明顯的影響。盡管破損工況下系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性略有降低，但系泊系統(tǒng)預(yù)留的安全余量充足，系泊纜破斷不致對(duì)系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成顯著威脅，因此，該設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某半潛式起重平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化選型，得到以下結(jié)論：

1)影響半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)的因素較多且相互關(guān)聯(lián)，系泊纜布置角度的增大、預(yù)張力的增加以及系泊纜長(zhǎng)度的減小，均會(huì)導(dǎo)致系泊系統(tǒng)頂端張力和錨端提升力的增加，在設(shè)計(jì)優(yōu)化中，應(yīng)對(duì)這些參數(shù)合理選取，以控制系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。

2)基于主要參數(shù)對(duì)系泊性能的影響規(guī)律，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的系泊方案，預(yù)留的安全欲度適中，能夠保障半潛式起重平臺(tái)在惡劣海況下的生存能力，同時(shí)具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

3)系泊纜的破斷會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)浪向發(fā)生改變，同時(shí)增加受力最大的系泊纜所承受的環(huán)境載荷，盡管在規(guī)范許可范圍內(nèi)，但仍對(duì)平臺(tái)的安全性造成威脅，應(yīng)予以關(guān)注。

4)系泊纜出現(xiàn)破損，系泊系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系泊纜受力重新分布，與破損系泊纜同組和相對(duì)一組的系泊纜受到的影響較為明顯，而其余系泊纜的受力情況無(wú)明顯變化。

這里只探討了作業(yè)水深為1 000 m的情況，不同作業(yè)水深對(duì)半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)性能的影響還需進(jìn)一步研究。

[1] 閔兵，舒仕勇. 半潛式起重工程船在海洋工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)造船，2010，51(1)：156-161.(MIN Bing, SHU Shiyong. Application of semi-submersible crane vessel in marine engineering[J]. Shipbuilding of China, 2010, 51(1):156-161. (in Chinese))

[2] 張志明，徐丹錚，張超，等. 大型起重船船型開(kāi)發(fā)的若干技術(shù)問(wèn)題初探[J].船舶，2005(1)：10-15.(ZHANG Zhiming, XU Danzheng, ZHANG Chao, et al. Technical problems in ship type development of large crane ship[J]. Ship & Boat, 2005(1):10-15. (in Chinese))

[3] 黃山田，江錦，劉祺鳳，等. 復(fù)雜海況下工程船的錨泊方案設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船，2012，53(S1)：179-183.(HUANG Shantian, JIANG Jin, LIU Qifeng, et al. Anchor pattern design for derrick barge in congested area[J]. Shipbuilding of China, 2012, 53(S1):179-183. (in Chinese))

[4] 董璐，徐慧，高巍，等. 水深對(duì)系泊起重船運(yùn)動(dòng)影響的數(shù)值與試驗(yàn)分析[J].海洋工程，2012，30(4)：125-130.(DONG Lu, XU Hui, GAO Wei, et al. Numerical simulation and experimental comparison about waterdepth’s influences to moored floating crane ship[J]. The Ocean Engineering, 2012, 30(4):125-130. (in Chinese))

[5] 童波，楊建民，李欣. 深水半潛式平臺(tái)懸鏈線式系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2008，23(6)：1-7.(TONG Bo, YANG Jianmin, LI Xin. Coupled dynamic analysis of catenary mooring system for the deepwater semi-submerged platform[J]. China Offshore Platform, 2008, 23(6):1-7. (in Chinese))

[6] 宋安科. 深水半潛式鉆井平臺(tái)系泊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.(SONG Anke. Design and analysis of the mooring system of deepwater drilling semi-submersible[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2005. (in Chinese))

[7] 馮愛(ài)春，尤云祥，范菊. 不規(guī)則波中半潛式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].海洋工程，2010，28(3)：31-36.(FENG Aichun, YOU Yunxiang, FAN Ju. Dynamic characteristics of a semi-submersible platform with mooring system in irregular waves[J]. The Ocean Engineering, 2010, 28(3):31-36. (in Chinese))

[8] API, Recommended practice for design and analysis of stationkeeping systems for floating structure[S]. 2005.

[9] DNV, Deep water coupled floater motion analysis[S]. 2005.

[10] ABS, Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2008.

[11] Vryhof Anchors. Anchor manual: the guide to anchoring [M]. 2010: 152-164.

Investigation on mooring system design and optimization of a semi-submersible crane vessel

FAN Lei1， SUN Liping1， WANG Hongwei1， WANG Jinguang2

(1. Deepwater Engineering Science and Technology Innovation and Talent Introducing Base, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Yantai CIMC Raffles Offshore, Ltd., Yantai 264000, China)

In recent years, China has witnessed a rising trend triggered by the development of semi-submersible crane vessels, and mooring system design and optimization are one of the key issues in the design of the semi-submersible crane vessel. In this study, coupled-dynamic analysis of a semi-submersible crane vessel with mooring cables was performed in the time domain to design and optimize the mooring system, in which the effects of basic parameters of the mooring system on its dynamic characteristics were evaluated. Design and optimization procedure that involves basic parameters of mooring system is presented. Particular attention was paid to the reliability of the mooring system designed in both intact and damaged conditions respectively, the characteristics of mooring system were investigated when the single cable was damaged as well. It is seen that the safety margin of the mooring system designed is well-controlled, which can provide not only a guarantee for the survival ability of this semi-submersible crane vessel in an extreme environmental condition but also a good concern for economy.

semi-submersible crane vessel; mooring system; design and optimization; coupled analysis

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.01.004

1005-9865(2015)01-0031-08

2013-11-28

教育部博士點(diǎn)科研基金資助項(xiàng)目(20132304120008)

樊 磊(1988-)，男，遼寧人，碩士生，主要從事海洋結(jié)構(gòu)物-系泊耦合分析。E-mail:fanlei07011206@163.com