臺風條件下自升式平臺碼頭系泊纜繩破斷分析

張 健,連建魯,袁洪濤,劉海冬

(1.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院 鎮(zhèn)江 212003) (2.威海海洋職業(yè)學院船舶工程系 威海 264300) (3.上海外高橋造船有限公司,上海200137)

自升式海洋平臺在碼頭進行建造、舾裝、維修期間,通常不做插樁,平臺主體漂浮在水中.此外,由于自升式平臺碼頭舾裝周期較長,在我國部分地區(qū)不可避免地經歷臺風期,因此,需要對平臺進行抗臺風碼頭系泊．由于自升式平臺與普通船舶在外形、結構、重心等方面均有很明顯區(qū)別,需要對其設計特定的碼頭系泊方案[1-2]．目前國內外對自升式平臺在離岸作業(yè)狀態(tài)下的纜繩張力和鎖緊機構性能進行了一些分析研究,如采用數(shù)值計算的方法,考慮風浪流的綜合作用,獲得系泊平臺在多種工況下纜繩張力的變化規(guī)律;對平臺在風暴自存狀態(tài)下鎖緊機構承載性能和預壓載性能進行校核;研究了系纜的超諧動張力分量對于纜索疲勞累積損傷的影響等．但均未涉及自升式平臺在臺風作用下碼頭系泊纜繩破斷分析,尤其是未對平臺與碼頭之間墊靠駁船的碼頭系泊方式進行深入探討．總體而言,國內外對于自升式平臺抗臺風碼頭系泊纜繩破斷力的研究還很缺乏,相關研究主要集中在文獻[3-5]中．文中針對臺風風速、海流流速遠大于預期、極有可能造成碼頭系泊系統(tǒng)纜繩破斷的情況進行分析計算．采用平臺與碼頭之間墊靠駁船的碼頭系泊方式,找出惡劣環(huán)境載荷下的危險工況,并分析此工況下纜繩破斷規(guī)律和剩余纜繩受力,提出系泊方案加強建議,為提高自升式平臺碼頭抗臺風系泊安全性能提供參考．

1 自升式平臺碼頭系泊系統(tǒng)

1.1 平臺參數(shù)及系泊方案

以外高橋造船集團建造的JU2000E型自升式平臺碼頭系泊系統(tǒng)為研究對象,平臺主要參數(shù)見表1．為減少平臺與碼頭之間的直接碰撞,在平臺與碼頭之間放置方形駁船用于靠泊,駁船排水量為1 013 t．駁船的主要作用為海洋平臺提供一個彈性基礎,因此駁船被良好地與碼頭進行連接,位移自由度均被約束,其運動影響對海洋平臺的系泊無不良影響及干擾．

表1 自升式鉆井平臺主尺度參數(shù)Table 1 Main dimension parameters of jack up platform

系泊纜繩可以有效限制海洋結構物的六自由度運動,防止結構物因為大幅運動發(fā)生碰撞及漂移事故從而造成結構損壞．考慮抗臺風的因素，設置2種系泊方案,分別應對不同級別的臺風,平時碼頭作業(yè)及應對普通臺風時應用普通系泊方案;當遇到超強臺風,除了對平臺進行纜繩系泊外,同時對平臺實施預拋錨．普通系泊方案及預拋錨系泊方案如圖1、2．

圖1 平臺普通系泊方案Fig.1 Normal mooring scheme of platform

圖2 平臺預拋錨系泊方案Fig.2 Anchor mooring scheme of platform

圖1、2中自升式平臺和碼頭之間纜繩編號為1～13,平臺和靠泊駁船之間纜繩編號為A～D,錨鏈編號為anchor 1～6．預拋錨方案中錨鏈水底部分插樁固定．

1.2 平臺系泊系統(tǒng)坐標系

考慮平臺多自由度運動,綜合風浪流方向、平臺和碼頭的相對位置,建立坐標系(圖3).

圖3 自升式平臺系泊系統(tǒng)坐標系Fig.3 Mooring system of jack up platform coordinate system

如圖3,OXY為大地坐標系,平臺舷側與靠泊駁船平行,中間墊靠橡膠碰墊,風、浪、流方向朝向平臺(圖中為180°)．o1x1y1是平臺隨體坐標系,與大地坐標系夾角為30°．平臺坐標原點位于平臺基線中心處．駁船的坐標系(o2x2y2)與大地坐標系平行,坐標原點設置于駁船幾何中心，文中總體坐標系均為大地坐標系．

1.3 平臺系泊風、流載荷系數(shù)

根據OCIMF風、流載荷計算公式[6],運用計算流體力學CFD軟件Fine/Marine計算縱蕩、橫蕩、艏揺的風壓載荷,計算公式為:

(1)

式中：Asurge、Asway、Ayaw分別為縱蕩面積、橫蕩面積、艏揺面積力矩；Csurge、Csway、Cyaw分別為對應的載荷系數(shù)．

計算過程中采用簡化的風載荷數(shù)值模型,取桁架樁腿每側實際投影面積的30%[7],將樁腿截面等效為正三角柱體[8],井架等效為長方體．得出風、流載荷系數(shù)如圖4、5.

圖4 風載荷系數(shù)Fig.4 Wind load coefficient

圖5 流載荷系數(shù)Fig.5 Fluid load coefficient

2 纜繩破斷計算分析

2.1 纜繩受力計算理論

系泊纜繩的模擬理論模型主要有3種[9]：① 懸鏈線模型；② 短棒模型；③ 集中質量模型．文中選用系泊專業(yè)軟件Orcaflex對平臺系泊過程中纜繩力的變化情況進行分析,該軟件原理為集中質量法,此方法效率高,適用范圍廣,可以適用于非線性、震蕩流體、不均勻纜繩、不平衡狀況．該方法的數(shù)學模型為:

(2)

2.2 浪高對系泊性能的影響

自升式碼頭系泊時,波浪會增大平臺的運動響應,一定程度上提高纜繩受力．在離岸風的情況下,風從平臺陸地一側吹來,波浪作用并不明顯,而沿岸風對系泊纜繩影響最大[10]．文中僅考慮沿岸風(風向β=0，β=180°)對系泊纜繩的受力影響,以及垂直靠岸風(β=-90°)對護舷的擠壓作用．此處波浪采用非線性Dean Stream波,該波形適用于各種水深,具有較強的代表性[11]．流速方向為0,風速方向和波浪方向相同,取β=0、β=180°．波浪高度取0～3 m，具體計算工況如表2．

表2 波浪計算工況Table 2 Calculate classification of wave

圖6～8為4種工況下(風浪同向)風向和浪向分別為0、180°時的纜繩受力和平臺運動,以及90°時的護舷受力情況．

如圖6，在風、浪方向為0、180°時,隨著波浪高度的增加大部分纜繩受力值增加,最大增加幅度為10%．如圖7,平臺縱蕩、艏搖也隨波浪高度增加而增加,增加幅度大于纜繩張力增加幅度．平臺橫蕩發(fā)生小幅度降低,這和波浪高度變化引起的纜繩伸長有關,使得平臺壓縮護舷的程度減小,從而使橫蕩幅度降低．從圖8可以看出,波浪垂直沖擊自升式平臺,會增加護舷的受力,隨波高增加,護舷受力增加,近似呈線性，最大增幅為10%左右．平臺波浪載荷相對于風載荷所占比例較小,對碼頭系泊影響較?。?/p>

圖6 在不同風浪方向下各工況纜繩受力Fig.6 In the working condition of the cable force under different wind directions

圖7 在不同風浪方向下各工況平臺運動Fig.7 Working platform movement under different wind directions

圖8 在風浪載荷方向為90°時各工況護舷受力情況Fig.8 Each fender stress distribution under about 90 ° in the direction of wind load working condition

2.3 纜繩破斷計算工況設定

在臺風作用下,平臺系泊纜受力最大風向為60°、150°離岸風[12];平臺運動幅度最大風向為0、180°沿岸風,纜繩最大受力僅次于150°；3組纜繩line 4、9、12、D受力為相應位置最大值．風向力0、60°時流載荷方向和波浪方向均取0．同理風向150°、180°時流載荷方向和波浪方向均取180°．可以使平臺纜繩承受最大受力,為最危險工況．波浪取最大的3 m波高用以模擬極限工況，見表3、4．

表3 方向定義Table 3 Define the direction (°)

表4 計算工況Table 4 Working condition of calculation

由于纜繩、錨鏈的極限承載力分別為1 220、1 920 kN．因此,普通系泊方案(只系纜繩不拋錨)下平臺最大可承受28.4 m/s的風速,而工況1～4為36 m/s的臺風,因此纜繩會發(fā)生破斷．而預拋錨方案只能抵御最大36 m/s的臺風,而工況5～8臺風風速51.5 m/s,流速波高增加,因此纜繩及錨鏈均會發(fā)生破斷．需要指出的是,不同規(guī)格的錨鏈及纜繩,所產生的破斷力會有所不同,但文中所提供系泊纜繩及錨鏈破斷力的計算方法對于同類型的系泊計算具有借鑒性．

2.4 纜繩破斷順序分析

在強臺風作用下,不同的風浪流方向會導致系泊纜繩破斷的位置不同,且破斷具有一定的順序[13]，文中總結各工況的纜繩破斷情況,并分析其破斷規(guī)律．

圖9、10分別為普通系泊方案和預拋錨系泊方案下不同風向的纜繩破斷順序示意．箭頭指向為纜繩破斷順序,每個風向標注了依次破斷的4根纜繩．

圖9 普通系泊方案不同風向纜繩破斷順序Fig.9 Ordinary mooring scheme cable breakage order in different wind

圖10 拋錨系泊方案不同風向纜繩破斷順序Fig.10 Anchor mooring scheme cable breakage order in different wind

表5、6列出了8種工況下,分別按照纜繩破斷力大小及破斷纜繩的長度為依據的纜繩破斷順序,表中破斷力為前一根纜繩破斷后該根纜繩破斷前一刻所承受的最大拉力．

對表5、6的計算結果進行分析,可以得出纜繩的破斷規(guī)律:① 在超強臺風條件下,系泊纜繩的破斷順序具有一定的規(guī)律．系泊系統(tǒng)中一旦有纜繩發(fā)生破斷,剩余纜繩會承受更大拉力而不斷地發(fā)生破斷,最終導致系泊系統(tǒng)失效．② 纜繩破斷順序與纜繩長度密切相關,在風浪流的來襲方向,最先破斷的纜繩基本是長度最短的纜繩．表6中各工況最先破斷的纜繩長度不一致,是因為各工況風向不一致,因而受力的纜繩有所區(qū)別．

表5 破斷前纜繩受力Table 5 Cable force before broken kN

表6 破斷纜繩長度Table 6 Cable length before broken m

3 結論

(1) 對臺風作用下的自升式平臺碼頭系泊而言,風力大于28.4 m/s時,風載荷為主要載荷,約占破斷載荷的90%,波浪載荷相對于風載荷所占比例較小(小于10%),對碼頭系泊影響較?。?/p>

(2) 在強臺風持續(xù)作用下,在風浪流襲來的主方向,最短纜繩最先發(fā)生破斷,其附近纜繩會發(fā)生后續(xù)破斷,后破斷纜繩會承受比先破斷纜繩更大的拉力,受力逐漸遞增,最終導致平臺系泊系統(tǒng)失效．

(3) 為提高系泊系統(tǒng)的安全性,海洋平臺在碼頭系泊而未插樁期間,需對科學制定系泊方案,并對系泊方案進行纜繩破斷分析,以校核系泊方案的可靠性及極限承載力．根據本文計算分析結果,典型自升式平臺與碼頭連接纜繩長度在35～70 m為宜,最短不宜低于35 m,最大不宜超過80 m,且保持與碼頭邊緣夾角在30°或60°附近,錨鏈長度控制在50 m左右．

(4) 提出的纜繩破斷分析方法不僅適用于海洋平臺,還可以對船舶、浮式風機等海洋浮式結構物在強風載荷下的系泊系統(tǒng)的可靠性進行評估．