康 莊,付 森,袁洪濤,王鈺涵
(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2. 上海外高橋造船有限公司設計二所,上海 200137)
海洋平臺的定位方式主要有系泊系統(tǒng)定位、動力定位及動力定位+系泊組合定位等 3種,其中系泊系統(tǒng)定位因結構簡單、價格優(yōu)良而得到廣泛應用[1]。系泊系統(tǒng)作為海洋結構物在作業(yè)時用到的定位裝置,對相關平臺、設備、設施的正常運行和工作人員的生命安全有著至關重要的影響。目前國際上通用的系泊系統(tǒng)是半張緊式系泊系統(tǒng),既可為平臺提供充足的回復力,又可減小平臺的自重[2-3]。張緊式系泊系統(tǒng)采用濕重小的合成纖維材料,具有重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點[4]。
1) 懸鏈線式系泊系統(tǒng)是一種依靠系泊線自重為平臺提供三自由度回復力的系泊系統(tǒng),當作業(yè)水深>1500m時,由于懸鏈線式系泊系統(tǒng)的重量和系泊半徑過大,系泊性能嚴重下降。適用于深水作業(yè)的半張緊式和張緊式系泊系統(tǒng)見圖1。
圖1 適用于深水作業(yè)的半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)
2) 半張緊式系泊系統(tǒng)自身重量小,且錨鏈和絲繩的經濟性能良好,使得其成為代替懸鏈線式系泊的首選系泊方式。
3) 張緊式系泊纖維材料的濕重小、系泊半徑小、水平恢復力大、垂向載荷小[5-7],可在一定程度上降低采購和安裝時的經濟成本。
針對上述系泊系統(tǒng)的特點,應用商業(yè)水動力軟件AQWA對SPAR平臺的半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系統(tǒng)進行水動力計算,分別得到各自的運動和受力曲線,整理數據結果并找出2種系泊方式的優(yōu)劣。
趙戰(zhàn)華[8]對一艘工作水深為1500m的半潛式海洋平臺的張緊式系泊系統(tǒng)進行研究,結果表明該平臺的縱蕩、橫蕩和系泊線張力都要比采用半張緊式系泊系統(tǒng)時明顯小,但隨著錨泊角的增大,垂向力增大的同時,平臺的垂蕩效應加劇。WANG等[9]對淺水中浮式生產儲油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)的懸鏈式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)進行研究,對比采用2種系泊系統(tǒng)的FPSO水平位移和回復力,結果表明張緊式系泊系統(tǒng)的性能更優(yōu)、經濟效益更好。
上述研究可為動剛度的計算提供參考,但仍需較為完善的模型來反映非線性應力應變關系,同時計算精度仍有進一步提升的空間。為滿足實際工程需要,本文基于API RP 2SM規(guī)范,針對我國南海作業(yè)環(huán)境下的SPAR平臺,選擇同樣的作業(yè)工況,比較半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)的性能,為今后系泊系統(tǒng)的設計和應用提供參考。
靜力分析和動力分析是數值計算中常用的方式,其中:靜力分析采用懸鏈線法,從單根系泊線入手,可快速預估其幾何形狀及應力分布;動力分析主要有集中質量法和細長桿理論2種方法,可更加準確地預報系泊線在極端海況下的動力響應,以此檢驗應力是否在許用應力范圍之內[10-12]。
采用微元法對無彈性系泊線任意一小段單元進行靜力分析。圖2為無彈性懸鏈線式系泊線靜力圖,其中:ω為系泊線單位長度濕重;θ為張力T與x軸的夾角。平衡方程為
1) 水平方向
2) 豎直方向
忽略式(1)和式(2)中的小量和二階微量,并對其進行積分得
圖2 無彈性懸鏈線式系泊線靜力圖
從式(3)~式(5)中可看出系泊線不同參數之間是相互關聯的,在給定若干個參數之后便可根據已知條件聯合求解未知參數。
將管線離散成一系列無質量的直彈簧和質量節(jié)點[13],坐標系見圖3,動力分析控制方程為
式(6)中:M為質點質量;Ajj為質點的附加質量;為微段所受外力。
圖3 集中質量法坐標系
采用Morison公式求解流體拖曳力,有
系泊線動力方程為
式(10)中:fn為法向流體力;fτ為切向流體力;為濕重;I為慣性力。通過數值積分,求解系泊線時域動力方程組可得系泊線張力。
SPAR平臺及其系泊系統(tǒng)總體運動方程為
式(11)中:M為平臺質量矩陣;c為阻尼矩陣;k為剛度矩陣;Fs為流體靜力;Fwf為波頻力;Fsv為波浪低頻慢漂力;Fm為系泊力;Fr為立管力;
因此,SPAR平臺運動響應可分為風浪流引起的平均位移、差頻力引起的慢漂運動和波頻力引起的波頻運動等3部分[14]。
承載系泊系統(tǒng)的主體為立柱式生產平臺(SPAR),該平臺適用于我國南海海域及墨西哥灣海域,作業(yè)水深為2000m,其主要尺度見表1,模型示意見圖4。平臺及系泊系統(tǒng)的建模和計算工作由大型水動力及系泊分析軟件ANSYS AQWA完成。
表1 SPAR平臺主要尺度
在系泊系統(tǒng)工程應用設計過程中,為保證響應的隨機性,同時更好地校核設計方案可行性,選取南海百年一遇的海況(見表2)作為設計工況,浪向變化范圍為360°,選取8個浪向角。
表2 選取南海百年一遇的海況
依據南海的目標環(huán)境參數及土壤條件,取兩中線面與水線面的交點作為平臺局部坐標系的原點O,環(huán)境載荷的0°沿著x軸正方向,90°沿著y軸的正方向,環(huán)境載荷的方向見圖5。
圖4 SPAR平臺示意
圖5 環(huán)境載荷方向的定義
依據API RP 2SK規(guī)范要求,在設計和分析系泊系統(tǒng)時應考慮完整系泊系統(tǒng)及破損系泊系統(tǒng)2種作業(yè)條件。完整系泊系統(tǒng)即所有系泊線均正常工作,保持一定的張力;破損系泊系統(tǒng)指的是一根系泊線斷開,其他系泊線均正常工作。系泊系統(tǒng)在完整條件下采用不同分析方法對應的系泊線安全系數要求見表3。
表3 系泊線安全系數要求
根據平臺作業(yè)海況和規(guī)范中系泊準則的限制對系泊系統(tǒng)進行設計,先后分析頂張角、導鏈器高度、分段長度、直徑、根數、布置方式及組內夾角等參數對系泊系統(tǒng)性能的影響,并將這些參數按其對材料成本影響的大小排序,遵循短系泊線長度、低材料等級、小直徑和少根數的原則,結合平臺布置逐步深入優(yōu)選方案。為確保2種系泊方式最終的計算結果具有可比性,在設計之初保證2種系泊方式的垂向力相同,平臺初始重心垂向位置均為(0, 0, -68.3)。最終選取的設計方案為:導鏈器高度為-73m,系泊線數量為12根,系泊系統(tǒng)布置形式為3組4根,系泊線組內夾角為5°,2種系泊方式的系泊半徑均為1900m。2種系泊線參數見表4,2種系泊方式數值計算模型見圖6。
表4 半張緊式系泊線和張緊式系泊線參數
圖6 2種系泊方式數值計算模型
在8個浪向、2種系泊方式下SPAR平臺水平位移的波頻及低頻極值結果統(tǒng)計見表5和圖7。平臺的其他4個自由度(垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖)的運動幅值與縱蕩和橫蕩相比非常小,限于篇幅,在此不予列出。
表5 2種系泊方式下SPAR平臺縱蕩和橫蕩波頻及低頻極值結果統(tǒng)計 單位:m
圖7 SPAR平臺在半張緊式系泊和張緊式系泊方式下的波頻及低頻結果統(tǒng)計
由以上結果可知:在2種系泊方式中,縱蕩及橫蕩低頻分量均占主要部分,且張緊式系泊系統(tǒng)對應的低頻分量遠遠小于半張緊式系泊系統(tǒng);而2種系泊方式對平臺水平位移波頻分量幾乎沒有影響。因此,當SPAR平臺在波浪中運動時,平臺的慢漂運動以橫蕩和縱蕩為主要的運動方式,波頻力的影響遠小于慢漂力。
采用數值計算方式,完成對百年一遇的海況及3種條件下SPAR平臺系泊系統(tǒng)的時域耦合分析,得到平臺運動響應及系泊張力等結果;同時,將其與規(guī)范相對比,校核平臺及系泊系統(tǒng)在各種工況下的安全特性。南海目標海域百年一遇的海況下8個浪向對應的系泊線張力計算結果見表6。
表6 2種系泊方式下不同浪向角對應的系泊線張力計算結果
由表6可知,半張緊式系泊系統(tǒng)系泊線的張力極值均大于對應的張緊式系泊系統(tǒng)系泊線的張力極值。
在完整系泊條件下,SPAR平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)和半張緊式系泊系統(tǒng)在2種海況中的水平運動軌跡見圖8,其中:粗實線部分為采用張緊式系泊系統(tǒng)時在不同浪向下以平衡位置為初始位置穩(wěn)定區(qū)域的3h的運動軌跡;其余線條所示為采用半張緊式系泊系統(tǒng)在不同浪向下以原點為初始位置3h的運動軌跡。
計算系泊系統(tǒng)在完整系泊、不同浪向角下2種系泊方式的水平位移情況,張緊式系泊系統(tǒng)的水平位移為30.04m,半張緊式系泊系統(tǒng)的水平位移最大值為73.71m,可見張緊式系泊系統(tǒng)的水平位移遠小于半張緊式系泊系統(tǒng),且張緊式系泊系統(tǒng)可有效減小平臺水平位移半徑極值50%以上。
SPAR平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)或半張緊式系泊系統(tǒng)其在穩(wěn)定區(qū)域的軌跡均偏離環(huán)境載荷方向,采用半張緊式系泊系統(tǒng)時軌跡偏離的程度相比采用張緊式系泊系統(tǒng)時大得多,且均在一根系泊線失效的情況下偏離加大。這是由于系泊線在張緊條件下可較好地平衡風浪流載荷力矩,同時能更好地控制平臺低頻慢漂運動。
圖8 平臺3h水平運動軌跡圖
本文采用百年一遇的南海海況計算得到作業(yè)水深為2000m的SPAR平臺系泊系統(tǒng)的動力響應和平臺運動響應結果,發(fā)現系泊系統(tǒng)受力呈明顯的低頻特性,波頻分量基本上無變化。對采用2種系泊方式的SPAR平臺水平位移軌跡進行疊加處理,在相同工況下對比平臺的運動響應,結果表明,在各浪向下SPAR平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)的水平偏移遠小于采用半張緊式系泊系統(tǒng)的相應值。張緊式系泊系統(tǒng)抵抗環(huán)境載荷的能力更強,能更好地控制SPAR平臺的低頻慢漂運動。
1) SPAR平臺在2種系泊方式下橫蕩及縱蕩運動過程中,其低頻分量占主導地位。張緊式系泊系統(tǒng)對應的低頻分量遠小于半張緊式系泊系統(tǒng)。
2) 在南海百年一遇的海況下,在保證SPAR平臺的初始垂向位置一致(即半張緊式系泊和張緊式系泊的垂向力相同)的情況下,半張緊式系泊系統(tǒng)的張力極值普遍大于對應的張緊式系泊系統(tǒng)的張力極值。
3) 在分析SPAR平臺的位移情況時,由于張緊式系泊系統(tǒng)可在較好地平衡環(huán)境載荷力矩的同時更好地控制低頻慢漂運動,因此張緊式系泊系統(tǒng)對應的軌跡偏離較半張緊式系泊系統(tǒng)小得多,且均在一根系泊線失效的情況下偏離加大。
4) 在不考慮系泊系統(tǒng)經濟效益的情況下,合理的張緊式系泊系統(tǒng)更適用于在深水作業(yè)的SPAR平臺。