南海島礁極淺水下半潛平臺錨泊系統(tǒng)數(shù)值模擬探究

王永恒，王 磊，汪學(xué)鋒，徐勝文

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

南海島礁極淺水下半潛平臺錨泊系統(tǒng)數(shù)值模擬探究

王永恒，王 磊，汪學(xué)鋒，徐勝文

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

錨泊定位系統(tǒng)是海洋工程裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其具有較高的安全性、較強的定位能力、相對較低的經(jīng)濟成本等優(yōu)點，因使用范圍相當(dāng)廣泛，是海洋開發(fā)過程中必不可少的一項技術(shù)。本文針對南海島礁復(fù)雜地形，設(shè)計一套適應(yīng)極淺水下平臺定位的錨泊系統(tǒng)，并計算分析其定位能力?？紤]到復(fù)雜的地形，錨鏈采用非對稱式布置，同時，為增加錨鏈與海底摩擦力，提高平臺在偏離平衡位置后的回復(fù)力，在錨鏈上分散布置了許多重塊。通過分析時域模擬的結(jié)果，驗證該錨泊系統(tǒng)的可行性，為模型試驗和極淺水環(huán)境下平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

錨泊系統(tǒng)；定位精度；復(fù)雜地形；極淺水

0 引 言

在風(fēng)浪流環(huán)境力作用下，為了保證海洋平臺的安全作業(yè)，需要裝備適當(dāng)?shù)亩ㄎ幌到y(tǒng)來保證其運動在允許的安全范圍內(nèi)。一般來說，常用的定位方式主要有錨泊定位、動力定位和錨泊輔助動力定位等，其中，錨泊定位發(fā)展時間較早，是一種較為傳統(tǒng)的定位方式，通常用于淺水中海洋平臺的定位[1-3]。

在錨泊系統(tǒng)設(shè)計中，海洋平臺的安全性是第一位的，所設(shè)計的錨泊定位系統(tǒng)首先要滿足平臺的定位需求，保證其安全作業(yè)；其次，要考慮錨泊系統(tǒng)本身的安全性，如錨鏈的破斷強度要足夠大，足以承受工作海域給定海況下的可能出現(xiàn)的最大張力，保證不出現(xiàn)錨鏈斷裂的情況[4]。

常規(guī)錨泊系統(tǒng)的錨鏈多沿著平臺的各個方向?qū)ΨQ布置，分散固定在海底錨點處，從而整個系統(tǒng)可以為平臺提供回復(fù)力和力矩，用以抵抗各種作用在平臺上的環(huán)境力，控制平臺的位置和首向變化[5]。本文研究的平臺其工作地點位于南海島礁附近，特點是水深極淺，地勢復(fù)雜，錨泊的布置方式和受力情況也變得非常復(fù)雜。受限于島礁附件有限的空間，以及工作需要靠近島礁的需求，在經(jīng)濟、安全的前提下，本文使用非對稱方式布置錨鏈[6-8]。為增加錨鏈與海底摩擦力，提高平臺在偏離平衡位置后的回復(fù)力，在錨鏈上起始段布置了許多重塊[9]。

針對該復(fù)雜島礁環(huán)境所設(shè)計的非對稱錨鏈定位精度和安全問題是本文分析的重要問題。極淺水中系泊系統(tǒng)所采用的錨鏈上配置有許多重塊，其對錨泊系統(tǒng)安全問題的影響也是值得研究與分析的要點。

1 平臺運動響應(yīng)理論

1.1 坐標(biāo)系

隨船坐標(biāo)系oxyz固定在平臺上，隨平臺搖蕩，平臺處于平衡位置，oxy平面與靜水面重合，oz軸垂直向上，與平臺中心軸重合。

大地坐標(biāo)系OXYZ，當(dāng)平臺在平衡位置時候，與隨船坐標(biāo)系重合，但其不隨平臺搖蕩，始終處于平衡位置。

1.2 平臺時域運動方程

在隨船坐標(biāo)系中，平臺時域運動方程[10]為：

將FF-K和FD合稱為一階波浪力Fw，F(xiàn)w可根據(jù)Cummins[11]提出的時域與頻域波浪力的卷積關(guān)系計算：

二階波浪力Fsn采用 Newman 近似計算，根據(jù)間接時域法，即采用頻域格林函數(shù)法計算浮體的附加質(zhì)量、阻尼和波浪作用力，通過快速傅里葉變換，將頻域水動力系數(shù)變?yōu)闀r域水動力系數(shù)[12]。

通過傅里葉變換，求得延遲函數(shù)：

式中λ為頻域中浮體的阻尼陣。

時域中浮體附加質(zhì)量為：

式中：μ為頻域中浮體附加質(zhì)量陣；ω0為任意值。

風(fēng)力和流力計算根據(jù) OCIMF 提供的資料進行計算，風(fēng)力計算經(jīng)驗公式為：

流力計算公式為：

式中：vk為風(fēng)速；ch為風(fēng)壓高度系數(shù)；cs為形狀系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；CD為流力系數(shù)；u為流速；A為迎流面積。

錨鏈系泊力Fm可采用懸鏈線方程計算，錨鏈視為完全撓性，不能傳遞彎矩，如圖 1 所示。圖 1中，A為上部平臺導(dǎo)出點，OA為錨索懸垂部分，O端與海底相切處，l為曲線OA長度，S為OA水平投影，h為水深，w為錨索單位長度的重量。OA線上各點都受到拉力，但A點的拉力Fm最大。Q為海底錨的水平拉力。V為Fm的垂直分力，它與錨索重平衡。

極淺水中，錨索長度不足 400 m，可以使用單一成分的錨索，因此只考慮全錨鏈形式。懸鏈線方程為：

2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計及計算

半潛平臺水動力計算采用勢流軟件計算，錨泊系統(tǒng)設(shè)計與分析采用 SESAM 和 Orcaflex 軟件，風(fēng)力、流力的估計值采用水池模型實驗的結(jié)果。

2.1 平臺附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)

半潛平臺主要參數(shù)如表 1 所示。

圖 2 和圖 3 為平臺附加質(zhì)量系數(shù)和勢流阻尼系數(shù)。由圖 2 和圖 3 可知，對于水平面三自由度運動模態(tài)，附加質(zhì)量系數(shù)在 1.4 rad/s 附近，出現(xiàn)峰值，過了該峰值后，隨波浪頻率的升高而急劇減?。辉?1.4～1.5 rad/s 之間的波頻區(qū)，出現(xiàn)勢流阻尼的最大峰值。

表 1 半潛平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameter of semi-submersible platform

而對于垂直面三自由度運動模態(tài)，在 0.6～1.2 rad/s 區(qū)間，附加質(zhì)量出現(xiàn)最大峰值，過了峰值點后，其值隨著波浪頻率的升高而減小。附加質(zhì)量在波頻響應(yīng)下較大，阻尼在較高頻的波浪響應(yīng)下較大。根據(jù)三維勢流理論，附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)增大會導(dǎo)致平臺所受水壓力增大，對其運動響應(yīng)會產(chǎn)生較大的影響。

2.2 設(shè)計工況和環(huán)境載荷

表 2 列出了平臺在海上工作的海洋環(huán)境條件。由于平臺位于南海島礁，深水波浪傳遞至平臺位置時，波浪方向逐漸垂直于海岸線[13]，因此本文主要考慮平臺在 90 ℃首向進行作業(yè)。模擬波浪譜采用北海聯(lián)合海浪計劃（JONSWAP）譜。

表 2 環(huán)境工況參數(shù)Tab.2 Environment parameters

2.3 系泊系統(tǒng)設(shè)計

懸鏈?zhǔn)藉^鏈具有良好的對海底的抗磨損性，對錨的抓力有較好的作用，因此在極淺水時可以使用全錨鏈系統(tǒng)，而不必使用合成索和鋼絲繩[14]。

錨鏈采用鑄鐵錨鏈，鑄鐵環(huán)直徑為 66 mm，每節(jié)鑄鐵錨鏈長度為 27.5 m，重約 2 766 kg，最大破斷力3 300 kN。根據(jù) API RP 2SK 規(guī)范[15]，對于完好的系泊系統(tǒng)，使用準(zhǔn)靜態(tài)分析計算時，錨鏈最大張力的安全因子取 2.0；使用動力分析時，錨鏈安全因子取 1.67[16]。

淺水錨泊系統(tǒng)錨鏈拖底段較長，平臺飄曳范圍增大[17]，因此為了增大穩(wěn)性，設(shè)計在每根錨鏈靠近導(dǎo)纜孔一側(cè)加部分配重塊。距導(dǎo)纜孔 10 m處開始布配重塊，相鄰配重塊間距 5 m，每個配重塊重 5 t，每根錨鏈固定 10 個配重，配重同時具有增加錨鏈與海底之間摩擦力的作用。

在錨泊定位系統(tǒng)中，通過調(diào)整錨鏈預(yù)張力的大小，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)物的定位精度。本文選取的預(yù)張力為 23 t。

2.4 極淺水錨泊系統(tǒng)布置

與深水作業(yè)的半潛平臺相比，淺水布置錨泊較為簡單。而且因為半潛平臺正向和側(cè)向面積差別不大，作用在各個方向上的環(huán)境力相當(dāng)，可以采用輻射狀布置錨鏈。

考慮島礁附近海底地形特點，以及半潛平臺靠近島礁的工作特點，靠島嶼一側(cè)缺少足夠的空間布置錨鏈，因此靠岸側(cè)錨鏈相應(yīng)縮短長度。所以本次的錨泊系統(tǒng)采用的是 8 點分散式懸鏈線系統(tǒng)，且靠岸一側(cè)錨鏈長度較短[18]，如圖 4 所示。每點連接 1 根錨鏈，共 8 根。

3 平臺時域模擬結(jié)果分析

3.1 六自由度運動時歷

1）工作海況

工作海況下，平臺的縱蕩、橫蕩、垂蕩運動時歷如圖 6 所示，橫搖、縱搖、首搖運動時歷如圖 7 所示。表 3 列出了平臺在工況海況下六自由度運動的統(tǒng)計結(jié)果。

由圖 5 和圖 6 的結(jié)果可知，在所給環(huán)境力條件下，平臺能較好地進行定位，最大橫蕩偏移位置為 1.2 m，最大橫搖角度為 0.96° 左右。平臺垂蕩數(shù)值也較小，最大垂蕩位移為 0.55 m，不會發(fā)生觸底風(fēng)險。

該種錨鏈布置方式能提供相對很大的首搖恢復(fù)力矩，在這種較小的環(huán)境力作用下，平臺不會產(chǎn)生很大首搖角。

平臺最大橫蕩位移為 1.2 m，最大橫搖角度 0.96°，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.26 m，0.14°。因此在給定的環(huán)境條件下，該平臺的定位性能優(yōu)秀。較小的標(biāo)準(zhǔn)差也反映了該錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）生存海況

生存海況下平臺的六自由度運動統(tǒng)計值如表 4 所示，縱蕩、橫蕩、垂蕩運動時歷如圖 8 所示，橫搖、縱搖、首搖運動時歷如圖 9 所示。

表 3 工作海況六自由度運動統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Operation condition 6-DOF statistical result

從六自由度運動時歷運動圖可以發(fā)現(xiàn)，該平臺橫漂較大。這是由于該平臺采用的八根錨鏈定位，在生存海況下為了錨鏈安全，預(yù)張力相對較??；而且，生存海況風(fēng)速達到了 36 m/s，平臺受到很大的風(fēng)力。因此，在上述綜合作用下，平臺產(chǎn)生較大的橫漂。

平臺的首搖運動較大，原因是平臺上層建筑的不對稱，導(dǎo)致平臺受到的風(fēng)力實際上在首搖方向上有一個力矩。

表 4 生存海況六自由度運動統(tǒng)計結(jié)果Tab.4 Survival condition 6-DOF statistical result

3.2 導(dǎo)纜孔處錨鏈張力時歷分析

錨鏈較大的張力發(fā)生在生存工況中。圖 9～圖 10和表 5 分別給出了生存海況下受力最大的2根錨鏈張力時歷與統(tǒng)計結(jié)果。

生存海況中錨鏈?zhǔn)艿降淖畲髲埩?108 t，小于錨鏈破斷強度 330 t，安全系數(shù)為 3.05，遠大于設(shè)計安全系數(shù) 1.67，不會有錨鏈破斷的情況出現(xiàn)，其中 6 號和 7號錨鏈?zhǔn)芰?biāo)準(zhǔn)差較大，說明張力值變化頻率與幅值較大，需要注意防止其疲勞斷裂。

圖 11～圖 12 和表 6 為工作海況下受力最大的2根錨鏈張力和統(tǒng)計結(jié)果。相對于生存海況，工作海況下錨鏈拉力較小，最大值為 43 t，遠遠小于破斷張力，不會有錨鏈破斷的情況出現(xiàn)，其中 6 號和 7 號錨鏈?zhǔn)芰?biāo)準(zhǔn)差相對生存海況也較小，疲勞斷裂的風(fēng)險較低。

3.3 錨點處錨抓力統(tǒng)計結(jié)果分析

由于錨鏈上間隔布置了配重，因此錨點受到的抓力并不大。

表 7 給出了生存工況下錨點抓力統(tǒng)計結(jié)果，這也是錨點抓力最大的工況。

可以發(fā)現(xiàn)，錨點抓力分為明顯不同的 2 組，即迎風(fēng)浪一側(cè) 4 根和背風(fēng)浪一側(cè) 4 根這 2 組。迎風(fēng)浪一側(cè)的 5～8 號錨點受到較大的拉力，所以錨點抓力較大。其中最大的力為 90 t，屬于比較小的量級，這跟錨鏈特點有關(guān)，拖底段較長，以及錨鏈上間隔布置的 5 t 重塊，都阻礙了錨鏈導(dǎo)纜孔處的拉力傳遞到錨點處，因此不會發(fā)生走錨的危險[19]。

表 5 生存海況 1～8 號錨鏈張力Tab.5 Survival condition line 1～8 force

表 6 工作海況 1～8 號錨鏈張力Tab.6 Operation condition line 1-6 force

表 7 1～8 號錨點處抓力Tab.7 Line 1-8 anchor force

4 結(jié) 語

對極淺水下平臺的錨泊定位進行了系泊系統(tǒng)設(shè)計和時域模擬分析。在工作海況下，平臺整體運動響應(yīng)較小，定位精度較高，不會發(fā)生觸底現(xiàn)象，且系泊系統(tǒng)各部分受力均滿足相關(guān)要求。在生存海況下，平臺整體運動響應(yīng)雖然較大，但滿足平臺生存海況下運動允許的范圍，錨泊系統(tǒng)滿足生存海況下的破斷要求。根據(jù)不同工況下的時域模擬結(jié)果，可以證明該套錨鏈用于極淺水下平臺的定位是安全可行的。

本文較好地解決了近島礁淺水環(huán)境下浮式平臺的系泊問題，可為平臺的水池模型試驗和極淺水下平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

對于島礁周圍復(fù)雜海域的開發(fā)，由于復(fù)雜地形問題，經(jīng)常會遇到類似的不規(guī)則錨泊設(shè)計問題。其可以在保證結(jié)構(gòu)物定位精度的前提下，減少經(jīng)濟成本，對此進行研究有很大的工程意義。

極淺水中錨泊定位，系統(tǒng)優(yōu)化空間受到限制，可以在錨鏈上配重增加錨鏈與海底的摩擦力，提高平臺定位穩(wěn)定性，減少起錨的風(fēng)險。

[1]吳德烽, 楊國豪, 船舶動力定位關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2014, 36(7): 1-6.WU De-feng, YANG Guo-hao.Review on key techniques for ship dynamic positioning system[J].Ship Science and Technology, 2014, 36(7): 1-6.

[2]王世圣, 等.3 000米深水半潛式鉆井平臺運動性能研究[J].中國海上油氣, 2007, 19(4): 277-280,284.WANG Shi-sheng, et al.Study on motion performance of 3000 metersdeep-water semi-submersible drilling platform[J].China Offshore Oil and Gas, 2007, 19(4): 277-280, 284.

[3]劉海霞.深海半潛式鉆井平臺的重量控制探述[J].中國海洋平臺, 2011(6).LIU Hai-xia.Weight control of deepwater semi-submersible drilling unit[J].China offshore Platform, 2011(6).

[4]張峰, 王磊, 李勇躍.錨泊輔助動力定位系統(tǒng)單纜失效影響研究[J].海洋工程, 2012(3): 29-34.ZHANG Feng, WANG Lei, LI Yong-yue, Research on the impact of one line failure for a mooring assisted dynamic positioning system[J].The Ocean Engineering, 2012(3): 29-34.

[5]JOHANNING, L, SMITH G.H., WOLFRAM J.Measurements of static and dynamic mooring line damping and their importance for floating WEC devices[J].Ocean Engineering, 2007.34(14-15): 1918-1934.

[6]李璐.Truss Spar和半潛式平臺的水動力及運動性能對比研究 [D].大連: 大連理工大學(xué), 2010.

[7]唐友剛, 桂龍, 曹菡, 等.海上風(fēng)機半潛式基礎(chǔ)概念設(shè)計與水動力性能分析 [J].2013.TANG You-gang, GUI Long, CAO Han, et al.Conceptual design and hydrodynamic performance of the semi-submersible floating foundation for wind turbines.[J].2013.

[8]蘇一華, 楊建民, 肖龍飛.深海單柱式平臺及其系泊系統(tǒng)的截斷水深模型試驗 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報, 2007, 41(9): 1454-1459.SU Yi-hua, YANG Jian-min, XIAO Long-fei.The Experiment of a Deepwater Spar and Its Mooring System at Truncated Water Depth.[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007, 41(9): 1454-1459.

[9]亓俊良, 龔玉林, 楊貴強.系泊錨鏈配重鏈替代配重塊工程實踐[C]//.2012年度海洋工程學(xué)術(shù)會議2012: 廈門.QI Jun-liang, GONG Yu-lin, YANG Gui-qiang.Engineering Practice On The Use of Anchor Chain As An Alternative To Weight Block In Mooring System[C]//.Xiamen, 2012.

[10]劉應(yīng)中, 繆國平.船舶在波浪中的運動理論[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1987.

[11]CUMMINS W E.The impulse response function and ship motions[J].Schiffstechnic, 1962, (9): 101-109.

[12]童波, 楊建民, 李欣.深水半潛平臺懸鏈線式系泊系統(tǒng)藕合動力分析[J].中國海洋平臺.TONG Bo, YANG Jian-min, LI Xin.Coupled dynamic analsis of catenary mooring system for the deepwater semi-submerged platform[J].China Offshore Platform.

[13]吳宋仁.海岸動力學(xué)[M].北京: 人民交通出版社, 2004.WU Song-ren.Coastal hydrodynamics[M].Beijing: China Communications Press, 2004.

[14]潘斌.移動式平臺設(shè)計[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社.1995.

[15]浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)的設(shè)計與分析規(guī)范[S].Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S].

[16]童波.半潛式平臺系泊系統(tǒng)型式及其動力特性研究[D].上海：上海交通大學(xué),2009.

[17]Nuno Fonseca Ricardo Pascoal, T.M.R.D., Design of a mooring system with synthetic ropes for the FLOW wave energy converter.2009.

[18]馬鑒恩, 李鳳來.錨泊列陣的設(shè)計與研究[J].海洋工程, 1996(1): 56-62.MA Jian-en Li Feng-lai.The design and research on multipoint mooring system[J].The Ocean Engineering, 1996(1): 56-62.

[19]唐堯.船舶走錨運動方式的研究[D].大連: 大連海事大學(xué), 2012.

Numerical investigation of mooring system for a semi-submersible in ultra-shallow water of south china sea reefs area

WANG Yong-heng, WANG Lei, WANG Xue-feng, XU Sheng-wen
(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Mooring positioning system is one of the key technologies for marine structures, and it has high security, high positioning accuracy, relatively low economic cost, so it is widely used.It is an essential technology ocean development process.In this paper, designed a mooring system for a semi-submersible platform in ultra-shallow water of South China Sea reefs area and analyzed platform positioning accuracy.Considering the complex coastal ocean environment and ultra-shallow water, asymmetric arrangement mooring system is usually adopted.In order to increase bottom friction, chain is decorated a lot of weight.

ooring system；positioning accuracy；complex terrain；ultra-shallow water

P751

：A

1672-7619(2017)01-0068-06doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.014

2016-06-15；

: 2016-08-20

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2013CB036103)

王永恒(1989-)，男，碩士研究生，主要從事動力定位和系泊研究。