深水大型浮臺系泊系統(tǒng)水動力計(jì)算分析

王 領(lǐng)，劉生法

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250）

1 引言

發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、建設(shè)海洋強(qiáng)國均離不開海洋信息的獲取，這就需要建立可靠的信息監(jiān)測系統(tǒng)。深海浮標(biāo)是一種載有各類探測傳感器和監(jiān)測儀器的海上觀測平臺[1]，它可以在海上進(jìn)行定點(diǎn)（或組網(wǎng)）的長期連續(xù)觀測，為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋漁業(yè)、航海運(yùn)輸、執(zhí)法維權(quán)、海洋科學(xué)研究以及海洋開發(fā)提供實(shí)時(shí)的海洋信息。

我國目前布設(shè)的大型浮標(biāo)數(shù)量較少，功能相對單一，布放區(qū)域僅為近岸沿海地區(qū)，未覆蓋到遠(yuǎn)海、深海區(qū)域。雖然已經(jīng)開展了深海浮標(biāo)的研究[2～5]，但是尚未開發(fā)和部署深水大型浮標(biāo)。大型浮標(biāo)可以搭載更多觀測和監(jiān)測儀器設(shè)備，應(yīng)用范圍更廣。將海洋工程系泊技術(shù)應(yīng)用到深海大型浮標(biāo)上，可以顯著提高其環(huán)境適應(yīng)性和安全性。本文選擇某大型浮臺，對其深海系泊型式進(jìn)行研究，對系泊纜組成以及長度進(jìn)行優(yōu)化，并采用水動力計(jì)算軟件論證其深水系泊的安全性及可靠性。

2 研究方法

本文采用AQWA和OrcaFlex軟件對深水浮臺系泊系統(tǒng)進(jìn)行水動力分析。AQWA和OrcaFlex軟件是業(yè)內(nèi)先進(jìn)的海洋工程水動力計(jì)算和系泊分析軟件，可以對錨泊系統(tǒng)、海洋工程立管系統(tǒng)、水下軟管和安裝等進(jìn)行分析。OrcaFlex是一個(gè)全3D的非線性時(shí)域仿真程序，能夠較好處理結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題。

根據(jù)選定的海洋環(huán)境條件，對系泊系統(tǒng)的運(yùn)動及受力進(jìn)行分析。主要的研究路線如下：

（1）建立大型浮臺等系泊系統(tǒng)的模型；

（2）采用AQWA進(jìn)行前期數(shù)據(jù)處理和建模，首先將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入，然后利用AQWA-LINE模塊進(jìn)行靜水力分析、規(guī)則波下波浪載荷和系統(tǒng)響應(yīng)的計(jì)算，以及頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計(jì)算；

（3）將AQWA-LINE的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入OrcaFlex進(jìn)行系泊纜繩和浮臺的時(shí)域耦合運(yùn)動分析，仿真在不規(guī)則波下浮臺以及系泊纜繩的實(shí)時(shí)運(yùn)動，得到纜繩張力及浮臺運(yùn)動的時(shí)歷變化曲線；

（4）對OrcaFlex計(jì)算得到的時(shí)歷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷系泊方案可行性及系泊安全性。

3 系泊系統(tǒng)方案

3.1 環(huán)境條件

本文研究的浮臺系泊系統(tǒng)用于南海海域，水深約1 530 m，選取100年一遇的環(huán)境條件作為安全自存的工況。波浪譜采用JONSWAP譜，選取的主要環(huán)境條件見表1。

表1 主要的環(huán)境條件

3.2 大型浮臺主尺度參數(shù)

浮臺示意圖以及相關(guān)尺寸見圖1和表2。該浮臺尺度較大，但其水線面較小，僅為三個(gè)支柱的面積。

圖1 浮臺示意圖

表2 浮臺主尺度

3.3 系泊系統(tǒng)方案

浮臺系泊系統(tǒng)在淺水中一般采用純錨鏈系泊；在深水中由于錨鏈重量過重，不僅顯著增大導(dǎo)纜器的拉力，還會增加浮臺吃水，大大降低浮臺有效載荷。為了減輕自身重量，宜采用組合纜系泊，除首尾部仍然采用錨鏈外，中間段通常采用鋼纜或者纖維纜。

鋼纜具有較高的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度，但自身重量比較重且彈性較低。實(shí)驗(yàn)表明，在負(fù)荷為其破斷強(qiáng)度的一半時(shí)，鋼絲繩的伸長率約為1% 。鋼絲繩的低彈性特點(diǎn)，使其在動力負(fù)荷較大的系泊系統(tǒng)中極易產(chǎn)生較大的峰值載荷。

纖維纜重量輕，主要有尼龍纜、聚酯纜、高模聚乙烯等。本文選用聚酯纜作為系泊系統(tǒng)的組成部分。聚酯纜材料為高韌性聚酯復(fù)絲纖維，熔點(diǎn)為256°，冷水下幾乎不收縮，吸水率低、耐磨性好、彈性適中，當(dāng)載荷為其破斷強(qiáng)度的一半時(shí)，伸長率約為7%。聚酯索在干燥和受潮下強(qiáng)度都很高，具有良好的耐磨損性能，在交變載荷下也不會很快喪失強(qiáng)度。由OCIMF主持的試驗(yàn)表明，在交變載荷下聚酯比尼龍的耐久性高190倍、比聚丙烯高570倍。在浮臺系泊系統(tǒng)中，要求纜繩具有較高強(qiáng)度和耐久性，因此纖維纜繩選擇聚酯纜。

考慮到系泊鏈的重量對浮臺的重心有較大影響，因此在與浮臺連接處的系泊鏈不宜過長；同時(shí)為減小底部躺地鏈的長度，達(dá)到更好的系泊效果，本文在底部使用配重來增加系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力。

綜上所述，本系泊系統(tǒng)方案采用V型鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，由浮臺、系泊纜、配重和錨固基礎(chǔ)組成：系泊纜采用組合纜由三段組成。第一段采用R3系泊鏈、直徑73 mm；第二段采用直徑128 mm的聚酯纜或者84 mm鋼纜；第三段采用R3系泊鏈、直徑95 mm。配重位于第三段系泊鏈中間，采用方形混凝土塊結(jié)構(gòu)，重量為115 t；錨固基礎(chǔ)采用可翻轉(zhuǎn)的大抓力錨。系泊系統(tǒng)布置圖，如圖2所示。

圖2 深水浮臺系泊系統(tǒng)布置

3.4 系泊系統(tǒng)方案對比

對兩種組合纜的方式以及有無配重進(jìn)行風(fēng)浪流同向下百年一遇工況的分析計(jì)算，其結(jié)果對比見表3。

表3 系泊纜張力對比

從表3可以看出：同等強(qiáng)度下聚酯纜方案的系泊張力明顯降低，系泊性能明顯優(yōu)于鋼纜方案，同時(shí)躺地段長度較長、安全性更好；增加配重，首系泊鏈、聚酯纜的張力有所提高，但尾系泊鏈的張力有所下降，同時(shí)躺地段的長度明顯增長。因此本系泊系統(tǒng)選用聚酯纜和系泊鏈組合，增加配重。

4 系泊系統(tǒng)安全性分析

對設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的初期和末期浮臺系泊系統(tǒng)進(jìn)行了一年一遇和百年一遇的水動力分析，以評估系泊系統(tǒng)的安全性。由于該系泊系統(tǒng)上部使用V型鏈設(shè)計(jì)，各海況計(jì)算分析中的風(fēng)浪同向且取不同的環(huán)境載荷方向而流向固定。

4.1 設(shè)計(jì)壽命初期計(jì)算分析

本系泊系統(tǒng)由于是單點(diǎn)系泊，在環(huán)境力作用下容易發(fā)生縱蕩和橫蕩，且這兩個(gè)指標(biāo)對浮臺的工作狀態(tài)以及安全性沒有特別影響，因此本文僅考核浮臺的垂蕩、橫搖和縱搖位移。其浮臺運(yùn)動的計(jì)算結(jié)果見表4（統(tǒng)計(jì)結(jié)果為有義值），系泊纜張力結(jié)果見表5。

表4 設(shè)計(jì)壽命初期浮臺位移情況

表5 設(shè)計(jì)壽命初期系泊纜張力

從表4可以看出，在百年一遇工況下，浮臺的垂蕩達(dá)7.25 m、橫搖19.58°、縱搖9.32°。根據(jù)規(guī)范要求[6]，采用動力分析方法進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，系泊纜安全系數(shù)應(yīng)大于1.67。從表5可知，Φ73 mm錨鏈最大張力為1 216 kN、安全系數(shù)為2.52；聚酯纜最大張力為1 798 kN、安全系數(shù)為3.06；Φ95 mm錨鏈最大張力為1 014 kN、安全系數(shù)為4.07。由此可知，該系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

4.2 設(shè)計(jì)壽命末期計(jì)算分析

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為20年，在設(shè)計(jì)壽命末期應(yīng)考慮系泊鏈的腐蝕，R3系泊鏈按直徑每年減少0.3 mm考慮。本文采用如下數(shù)值進(jìn)行百年一遇典型工況的末期校核計(jì)算：第一段采用R3系泊鏈、直徑66 mm；第二段采用聚酯纜、直徑128 mm；第三段采用R3系泊鏈、直徑87 mm。

表6 設(shè)計(jì)壽命末期系泊纜張力

從表6可以看出，在設(shè)計(jì)壽命末期，Φ73 mm錨鏈最大張力為1 263 kN、安全系數(shù)為1.89；聚酯纜最大張力為1 952 kN、安全系數(shù)為2.28；Φ95 mm錨鏈最大張力為1 188 kN、安全系數(shù)為3.23。由此可知，安全系數(shù)均大于1.67，滿足規(guī)范要求。由于考慮障了系泊鏈的腐蝕余量，重量明顯變輕，因此躺地鏈的長度明顯變短。

5 結(jié)論

本文采用OrcaFlex對深水浮臺系泊系統(tǒng)進(jìn)行了水動力計(jì)算分析，并得到如下結(jié)論：

（1）浮臺一般具有小水線面，在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮系泊鏈對其重心的影響；

（2）聚酯纜與鋼纜、錨鏈相比，重量輕、彈性大，在深水系泊中可以有效減小系泊纜重量、降低系泊纜受力；

（3）配重可以提高系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力，但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)同時(shí)考慮配重對系泊系統(tǒng)的安裝影響。