半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

單鐵兵

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

半潛式支持平臺專門為半潛式鉆井平臺、海上浮式儲卸油裝置(FPSO)、張力腿平臺(TLP)、立柱式平臺(SPAR)以及半潛式生產(chǎn)平臺等海上油氣勘探、處理平臺提供人員居住、娛樂、物資補(bǔ)給和工程輔助等作業(yè)支持，不僅可為平臺上工作人員提供一個(gè)舒適的居住壞境，在緊急情況下還能作為緊急避難場所以保證人員安全。

半潛式支持平臺配有液壓可伸縮式人行棧橋系統(tǒng)，開展人員輸送任務(wù)時(shí)，半潛式支持平臺通常通過自帶的系泊系統(tǒng)或動力定位系統(tǒng)旁靠于油氣勘探處理平臺一側(cè)，并通過水平纜繩將兩平臺綁扎連接，隨后將棧橋伸向目標(biāo)平臺，如圖1所示，配合波浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，盡可能維持兩個(gè)平臺之間垂蕩方向的相對靜止，保障了人員在棧橋上通行的安全，待人員輸送完畢后，半潛式支持平臺視天氣情況將棧橋收回、水平連接纜繩解脫，半潛式支持平臺僅依靠自身的系泊系統(tǒng)或動力定位系統(tǒng)抵御海上惡劣的環(huán)境。

圖1 半潛式支持平臺與目標(biāo)平臺的靠泊作業(yè)Fig. 1 Semi-submersible support platform side-by-side operation with target platform

半潛式支持平臺被譽(yù)為海上浮動酒店，相比于普通海上作業(yè)船只，優(yōu)良的穩(wěn)定性、節(jié)能環(huán)保、舒適性、運(yùn)動性能、人員輸送的安全性以及自身的海上定位能力是平臺設(shè)計(jì)的重要關(guān)注方向。

目前，國內(nèi)外學(xué)者均有針對半潛式支持平臺的理論和試驗(yàn)研究。楊忠華[1]對半潛式起重生活平臺的總體設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，包括布局規(guī)劃規(guī)則、船型方案、振動噪聲控制及推進(jìn)器優(yōu)化布置等，以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的定位性能，舒適的居住條件為目標(biāo)進(jìn)行平臺總布置優(yōu)化。趙靜等[2]采用水動力分析軟件SESAM研究了半潛式生活支持平臺水動力性能，分析了平臺6自由度的響應(yīng)和縱蕩、橫蕩、垂蕩方向的加速度。Gu等[3]采用FLUENT軟件對半潛式鉆井支持平臺不同風(fēng)譜下的隨機(jī)風(fēng)載荷特性進(jìn)行了理論分析。王月等[4]采用水動力軟件AQWA計(jì)算了半潛式鉆井支持平臺在迎浪、斜浪和橫浪角度下的運(yùn)動和系泊纜受力情況，研究表明，該系泊系統(tǒng)滿足規(guī)范要求。范亞麗等[5]對系泊系統(tǒng)完整、單纜破斷和附加水平剛度等不同系泊模式下的半潛式支持平臺的定位性能開展了模型試驗(yàn)研究，獲得了平臺運(yùn)動、系泊纜張力，并對系泊纜的安全系數(shù)、平臺的最大偏移進(jìn)行了分析，其結(jié)果為平臺系泊模式的安全性評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。張偉[6]采用時(shí)域動態(tài)分析方法對半潛式支持平臺錨泊輔助動力定位系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，針對外部環(huán)境條件，風(fēng)載荷和流載荷采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，波浪載荷采用面元法進(jìn)行估算，基于懸鏈線理論模擬系泊系統(tǒng)，并與僅有系泊定位系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

針對半潛式支持平臺的系泊系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)方法和分析流程的系統(tǒng)研究，闡述該平臺系泊系統(tǒng)配置和布置設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了風(fēng)浪流載荷的估算方法以及系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范衡準(zhǔn)。將上述設(shè)計(jì)方法和流程應(yīng)用于某型半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用系泊定位分析程序MIMOSA對該系統(tǒng)的定位能力進(jìn)行分析，按照船級社的規(guī)范要求對相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行衡準(zhǔn)，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)緊湊、經(jīng)濟(jì)性良好的思路，反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化系泊系統(tǒng)的配置和布置方式，最終設(shè)計(jì)出較合適的系泊系統(tǒng)。數(shù)值分析結(jié)果表明：無論是系泊完整工況還是破斷工況，該系泊系統(tǒng)的張力均滿足規(guī)范要求，從而確定了系統(tǒng)的最終配置和布置方案，相關(guān)方法和結(jié)論為實(shí)際工程項(xiàng)目提供重要的設(shè)計(jì)思路。

1 系泊系統(tǒng)的組成及布置方式

系泊系統(tǒng)是限制海上浮式結(jié)構(gòu)物漂移的重要設(shè)備，半潛式平臺的系泊系統(tǒng)一般由定位絞車、導(dǎo)纜器、系泊纜以及定位錨組成，如圖2所示。

錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期，為了節(jié)省成本，系泊纜往往首選常規(guī)和簡單的型式，例如，對于半潛式支持平臺之類的移動式系泊系統(tǒng)，根據(jù)水深、定位能力以及方便收放纜繩等方面考慮，系泊纜通常選用如下組合方式：整根系泊纜均為鋼絲繩；整根系泊纜均為錨鏈；整根系泊纜由頂端鋼絲繩和底端錨鏈組成。

同時(shí)，鋼絲繩通常參照海洋工程系泊用鋼絲繩國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33364-2016，主要包含6股鋼絲繩、單股鋼絲繩和全密封鋼絲繩3大類型，公稱直徑分布范圍為52～160 mm。錨鏈則參照電焊錨鏈國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 549-2008，主要包括一級、二級和三級有檔錨鏈或無檔錨鏈，其中有檔錨鏈的公稱直徑分布范圍為11～162 mm，無檔錨鏈的公稱直徑分布范圍為6～50 mm。

若纜繩張力超過了規(guī)范允許的安全值或國家標(biāo)準(zhǔn)中的可選范圍，通過如下方式可以提高系泊系統(tǒng)整體的抗風(fēng)浪能力：

1) 鋼絲繩選用高強(qiáng)度材質(zhì)或螺旋股的插接方式可大大提高其軸向剛度；

2) 錨鏈選用高強(qiáng)度的材質(zhì)，比如R3、R3S、R4、R4S以及R5級等高規(guī)格的海工錨鏈，可提高系泊纜的破斷負(fù)荷，同時(shí)還具有耐海水腐蝕和防磨的效果，避免鋼絲繩與海床發(fā)生摩擦而導(dǎo)致壽命大幅降低的不利特點(diǎn)。

基于上述思路，該半潛式支持平臺的系泊系統(tǒng)初步定為多點(diǎn)系泊方式，呈現(xiàn)輻射狀布置。

圖2 半潛式平臺系泊定位系統(tǒng)Fig. 2 Positioning mooring system of semi-submersible platform

2 錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程

錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程主要分為三大部分，按照順序依次開展系泊系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)、水動力計(jì)算以及系泊定位分析。

系泊系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的主要目的為確定系泊系統(tǒng)的初步配置、布置，是系泊定位分析的基礎(chǔ)，包括：

1) 系泊絞車和導(dǎo)纜器等的形式、規(guī)格與安全工作負(fù)荷；

2) 定位錨的類型、尺度以及最大抓力等；

3) 單根系泊纜組份、材質(zhì)、剛度、直徑、破斷負(fù)荷等，系泊纜的數(shù)量、拋出長度、各系泊纜水平方向的夾角以及系泊絞車、導(dǎo)纜器和定位錨的布置位置。

半潛式支持平臺水動力計(jì)算主要目的為確定主要包括波浪作用下的平臺運(yùn)動和受力、平臺風(fēng)載荷、流載荷分析：

1) 波浪作用下的平臺運(yùn)動和受力。首先根據(jù)半潛式支持平臺的總布置圖及型線圖，建立濕表面模型；隨后，輸入平臺重力、重心、慣性半徑等平臺固有參數(shù)，水深、波浪的頻率和角度范圍等外部環(huán)境參數(shù)；最后，采用基于理想流體假設(shè)的勢流理論開展平臺輻射和繞射計(jì)算，獲得平臺運(yùn)動和一階波浪力的幅值響應(yīng)算子(RAO)，附加質(zhì)量、阻尼以及二階波浪慢漂載荷。

2) 平臺風(fēng)載荷。計(jì)算平臺水面以上的受風(fēng)面積，同時(shí)需考慮高度系數(shù)和形狀系數(shù)對該面積的貢獻(xiàn)；基于API及船級社規(guī)范推薦的估算方法分別對平臺艏向、側(cè)向所受的風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算；基于規(guī)范推薦的斜向風(fēng)力計(jì)算公式預(yù)報(bào)各斜向的風(fēng)載荷。

3) 平臺流載荷。計(jì)算平臺水面以下的投影面積；基于API估算方法分別對平臺艏向、側(cè)向所受的流載荷進(jìn)行計(jì)算。

在完成半潛式支持平臺的系泊系統(tǒng)初步選型設(shè)計(jì)和水動力性能計(jì)算之后，方可開展系泊定位分析，具體包括：

1) 輸入導(dǎo)纜孔、錨點(diǎn)的位置，系泊纜參數(shù)，預(yù)張力等初步參數(shù)，分析系泊系統(tǒng)的剛度特征，即系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力與偏移之間的關(guān)系。

2) 輸入設(shè)計(jì)環(huán)境條件，根據(jù)風(fēng)載荷、流載荷系數(shù)確定該海況作用下，平臺所受的穩(wěn)態(tài)環(huán)境力。

3) 通過系泊定位分析程序或軟件，計(jì)算對應(yīng)海況下，平臺的平均、波頻和低頻偏移，各系泊纜上的平均、波頻和低頻張力，各系泊纜錨端的張力、纜繩躺底長度等參數(shù)。

4) 按照規(guī)范要求，對上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行衡準(zhǔn)來判斷該系泊系統(tǒng)是否滿足要求，若各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，設(shè)計(jì)結(jié)束，若未滿足要求，需返回系泊系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對其配置或布置進(jìn)行調(diào)整。錨泊系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程Fig. 3 Design chart of mooring system for semi-submersible support platform

3 水動力性能的計(jì)算方法

3.1 風(fēng)載荷的估算方法

在沒有風(fēng)洞試驗(yàn)資料的情況下， 半潛式支持平臺艏向和側(cè)向風(fēng)載荷的計(jì)算一般采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)[7-9]；Ai為每個(gè)受風(fēng)面的垂向投影面積，m2；Vw是設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s，為海平面以上10 m處的平均風(fēng)速。

半潛式支持平臺的風(fēng)載荷投影面積應(yīng)包含所有的立柱、甲板室、桁架結(jié)構(gòu)、吊機(jī)等，并考慮形狀系數(shù)和高度系數(shù)的影響。API、ABS船級社、CCS船級社等規(guī)范均對相關(guān)系數(shù)有相關(guān)指導(dǎo)說明。

斜向的風(fēng)力可通過分別計(jì)算艏向和側(cè)向風(fēng)力，按下述方法合成：

(2)

式中：Fφ為斜向風(fēng)力，N；Fx為艏向風(fēng)力，N；Fy為側(cè)向風(fēng)力，N；φ為風(fēng)力方向相對于船艏方向的角度，(°)。

按照半潛式支持平臺水線以上的形狀，分別估算不同組塊的投影面積，如圖4所示，并考慮高度系數(shù)和形狀系數(shù)的影響，對組塊修正后的面積求和，獲得其正向、側(cè)向的投影面積分別為2 598 m2和3 118 m2。

當(dāng)計(jì)算出各個(gè)方向的風(fēng)力之后，即可得到用于系泊定位分析所需的風(fēng)力系數(shù)，在MIMOSA軟件中，風(fēng)載荷系數(shù)通過如下公式計(jì)算：

(3)

(4)

式中：Fxw為風(fēng)力艏向分量，N；Fyw為風(fēng)力側(cè)向分量，N；Cwind-x為艏向風(fēng)力系數(shù)，N·s2/m2；Cwind-y為側(cè)向風(fēng)力系數(shù)，N·s2/m2，沿正向和側(cè)向的風(fēng)力系數(shù)隨角度的變化如圖5所示。

圖4 半潛式支持平臺各向受風(fēng)面積的計(jì)算組塊Fig. 4 Components of wind projected area for semi-submersible support platform

圖5 半潛式支持平臺風(fēng)力系數(shù)Fig. 5 Wind force coefficients for semi-submersible support platform

3.2 流載荷的估算方法

根據(jù)API規(guī)范，諸如半潛式支持平臺之類的四立柱平臺，其艏艉向和側(cè)向海流力可按照如下公式估算得出：

(5)

式中：Ccs為半潛式平臺海流力系數(shù)，其值為515.62 N·s2/m4；Cd為拖曳力系數(shù)，選取原則參見圖6；Ac為所有水下圓柱形構(gòu)件投影面積之和，m2；Af為所有水下構(gòu)件投影面積之和，m2，平臺正向和側(cè)向受流面積的計(jì)算組塊如圖7所示；Vc為設(shè)計(jì)流速，m/s。

圖6 半潛式平臺的拖曳力系數(shù)Cd隨倒角率R的變化Fig. 6 Drag coefficient Cd of semi-submersible platform varies with the chamfer rate R

圖7 半潛式支持平臺各向受流面積的計(jì)算組塊Fig. 7 Components of current projected area for semi-submersible support platform

在MIMOSA軟件中，流載荷通過如下公式計(jì)算：

(6)

(7)

式中：Fxc為各個(gè)方向流力艏向分量；Fyc為各個(gè)方向流力側(cè)向分量；Ccurr-x為各個(gè)方向的艏向流力系數(shù)；Ccurr-y為各個(gè)方向的側(cè)向流力系數(shù)。

半潛式支持平臺的流力系數(shù)隨流向的變化分布如圖8所示。

3.3 波浪載荷的分析方法

平臺6自由度運(yùn)動[10]可表示為：

(8)

在計(jì)算半潛式支持平臺的水動力性能時(shí)，遭遇浪向?yàn)?°～360°，中間間隔15°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據(jù)平臺型線建立的面元模型如圖9所示。

圖8 半潛式支持平臺流力系數(shù) Fig. 8 Current force coefficients for semi-submersible support platform

圖9 半潛式支持平臺的網(wǎng)格模型Fig. 9 Panel model of semi-submersible support platform

基于上述求解方法，可獲得該平臺垂蕩、橫搖和縱搖三個(gè)波頻方向的運(yùn)動響應(yīng)RAO，圖10為垂蕩運(yùn)動RAO，即單位波浪幅值作用下，平臺垂蕩運(yùn)動隨波浪頻率的變化曲線。

假設(shè)平臺的波頻運(yùn)動響應(yīng)服從窄帶高斯定理，則其響應(yīng)峰值滿足瑞利分布[11-12]，基于波頻運(yùn)動RAO曲線，可根據(jù)式(9)計(jì)算平臺的波頻運(yùn)動響應(yīng)譜：

(9)

運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差表示為：

(10)

由此，在3小時(shí)內(nèi)，平臺波頻運(yùn)動可能發(fā)生的最大值表示為：

(11)

其中，NiWF為過零周期的數(shù)量。

基于平臺的波頻運(yùn)動響應(yīng)，通過頻域計(jì)算方法可獲得系泊系統(tǒng)的波頻張力。

雖然平臺所受的低頻載荷往往比波頻力小幾個(gè)量級，但由于系泊系統(tǒng)具有典型的低頻運(yùn)動特點(diǎn)，與波浪的低頻載荷相互作用時(shí)，容易發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致系泊纜的張力和平臺的偏移急劇增加，因此，二階波浪慢漂載荷的預(yù)報(bào)對系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的作用，是最關(guān)鍵的參數(shù)之一。目前，二階波浪漂移載荷的計(jì)算方法主要包括：遠(yuǎn)場積分方法、中場積分方法以及近場積分方法，文中采用的是遠(yuǎn)場積分方法。

遠(yuǎn)場積分法根據(jù)動量守恒定律，通過在遠(yuǎn)方控制面上積分，得到平臺縱蕩、橫蕩和垂蕩三個(gè)方向上的平均二階力，其計(jì)算公式為：

(12)

(13)

(14)

其中，Cg為波浪的群速度；C為波速；α為波浪入射角；A(θ)為繞射勢在遠(yuǎn)場的幅值。

平臺縱蕩方向的二階波浪慢漂力傳遞函數(shù)如圖11所示，為單位波浪幅值作用下，平臺縱蕩方向的波浪慢漂載荷隨波浪頻率的變化曲線，該慢漂載荷的大小與入射角度有關(guān)，同時(shí)隨波浪頻率的變化而呈現(xiàn)振蕩特征。

圖10 平臺運(yùn)動RAO (垂蕩)Fig. 10 Motion RAO of platform (Heave)

圖11 平臺二階波浪慢漂力的傳遞函數(shù)(縱向)Fig. 11 Transfer function of 2-order wave drift force (Surge)

4 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范衡準(zhǔn)

該半潛式支持平臺屬移動式平臺，一般而言，該類平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范參考API RP 2SK(美國石油協(xié)會)、ABS船級社以及CCS船級社等規(guī)范[7-9]。

安全系數(shù)是指錨索破斷強(qiáng)度與所受最大張力之比，是衡量系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否滿足要求的關(guān)鍵指標(biāo)，錨索的安全系數(shù)取決于設(shè)計(jì)工況及所采用的錨泊分析方法。API RP 2SK和CCS規(guī)范均根據(jù)錨索的狀態(tài)、不同設(shè)計(jì)工況和錨索張力的計(jì)算方法對錨索的最大張力安全系數(shù)做了規(guī)定，如表1所示。

纜繩張力的安全系數(shù)F規(guī)定為：

(15)

式中：FMBL為錨索的最小破斷強(qiáng)度，kN；TMAX為錨索的最大張力，kN。

當(dāng)采用動態(tài)分析法時(shí)，錨索張力的安全系數(shù)應(yīng)不小于表1的規(guī)定值。

表1 張力限制和安全系數(shù)Tab. 1 Tension limit and safety factor

此外，對于各種有桿錨、海軍錨、無桿轉(zhuǎn)爪錨以及大抓力錨等阻力式錨，其在土壤中的抓持力表現(xiàn)為錨能沿水平方向持續(xù)提供的最大抓力，按照API規(guī)范，定位錨應(yīng)滿足表2所示的衡準(zhǔn)要求。

表2 阻力式錨的安全系數(shù)Tab. 2 Drag anchor safety factor

定位錨的安全系數(shù)F規(guī)定為：

(16)

式中：FAhc為定位錨能夠提供的抓持力，kN；TAmal為錨端所受的最大水平力，kN。

5 平臺系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析

按照上述的流程和方法依次開展系泊系統(tǒng)初步選型、水動力性能計(jì)算以及系泊定位分析，其中，采用DNV船級社開發(fā)的HYDROD軟件對半潛式支持平臺的水動力性能進(jìn)行計(jì)算，采用基于動態(tài)方法的MIMOSA軟件對系泊系統(tǒng)的定位能力進(jìn)行分析，根據(jù)船級社的規(guī)范要求對相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行衡準(zhǔn)，對系泊系統(tǒng)的配置和布置方式進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和優(yōu)化，直至系泊系統(tǒng)滿足要求，按此思路，可設(shè)計(jì)出較合適的系泊系統(tǒng)。

5.1 環(huán)境條件

半潛式支持平臺的船體總長約103 m，型寬為70 m，型深為38 m，平臺的設(shè)計(jì)吃水為15.75 m，重心高度相對基線約為19.8 m，繞x、y及z方向的慣性半徑分別為28 m、32 m和36 m。

該支持平臺的服役海域?yàn)楸焙?，采?0年一遇的回歸周期，有效波高為14.4 m，譜峰周期為17.0 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速34.9 m/s，流速為0.96 m/s。

圖12 平臺輻射狀系泊系統(tǒng)Fig. 12 Spreading mooring system of floating structure

系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況為：波浪的頻譜形式為JONSWAP譜，形狀參數(shù)為2.0；選用非定常風(fēng)，其頻譜形式為NPD譜；選用定常流；風(fēng)、浪和流假定為同向作用于該支持平臺，計(jì)算更為保守。

5.2 錨泊系統(tǒng)的布置和配置參數(shù)

半潛式支持平臺系泊定位作業(yè)時(shí)共有12根錨索，分為4組，每組3根。定位錨索的編號從1～12變化，每組中每根錨索與中縱線的夾角分別為5°；1～6號系泊纜與7～12號系泊纜沿中縱剖面對稱，1號系泊纜與x軸方向的夾角為40°，如圖12所示。

半潛式支持平臺的每一根系泊纜由頂端鋼絲繩與底端錨鏈兩部分組成，具體系泊纜的參數(shù)見表3。

表3 系泊纜的屬性參數(shù)Tab. 3 Parameters of mooring lines

1～12號系泊纜拋出長度為4 300 m，其中鋼絲繩的拋出長度為3 900 m，400 m的錨鏈全部拋出，各纜繩的預(yù)張力均選為730 kN。

5.3 分析結(jié)果

根據(jù)上述系泊系統(tǒng)的配置和布置方案，基于頻域動態(tài)分析方法，采用MIMOSA軟件對目標(biāo)半潛式支持平臺開展系泊定位分析，獲得不同的浪向下，完整工況、單纜破斷工況下，半潛式支持平臺運(yùn)動的最大偏移、錨索頂端導(dǎo)纜孔處的最大張力以及錨端的最大張力。

表4和圖13顯示的是北海10年一遇海況條件下，完整和一根纜破損工況下，半潛式支持平臺的最大偏移和導(dǎo)纜孔處的最大張力等結(jié)果。

分析可知：

1) 完整工況下，系泊纜頂端的最大張力發(fā)生在外載荷方向?yàn)?0°時(shí)，纜繩編號為7號系泊纜，安全系數(shù)為2.02，滿足規(guī)范1.67的要求；錨端的最大張力也發(fā)生在7號，錨端的最大張力為3 100 kN；任何角度下，纜繩均有躺底，最小躺底長度為19 m，說明在任何情況下，系泊纜繩的錨端不會出現(xiàn)上拔力，規(guī)避了定位錨被垂向拔出而喪失抓力的風(fēng)險(xiǎn)，滿足規(guī)范要求。

2) 破斷工況下，系泊纜的最大張力同樣發(fā)生在風(fēng)浪流角度為30°時(shí)，纜繩編號為7號系泊纜，安全系數(shù)為1.53，滿足規(guī)范1.25的要求；破斷的纜繩編號為8號，錨端的最大張力為4 300 kN。

3) 通過比較易知，破斷工況下，無論是纜繩的張力還是平臺的偏移，均比完整工況大；但結(jié)果的變化規(guī)律基本類似，即最大偏移和張力均發(fā)生在同一風(fēng)浪流角度，錨端的最大張力均比頂端所受的張力小。

表4 系泊定位分析結(jié)果Tab. 4 Analysis results of mooring system

圖13 完整和單纜破斷工況下，頂端和錨端的最大張力隨環(huán)境角度變化的玫瑰圖Fig. 13 Rose diagram of the maximum tension at the top and anchor point according to the environmental directions under intact and single line breaking conditions

計(jì)算結(jié)果表明，兩種工況下，平臺系泊系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)均能滿足規(guī)范的要求；另一方面，無論是纜繩的張力還是躺底長度均富余較小，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)緊湊，經(jīng)濟(jì)性較好；雖然平臺的偏移較大，但并非平臺在生存工況下的衡準(zhǔn)指標(biāo)。

圖14(a)為完整與破斷工況下，頂端張力最大時(shí)，系泊纜形狀、纜繩與水平夾角隨水深的變化特點(diǎn)，從圖中可以看出，由于重力的作用，系泊纜形狀呈現(xiàn)懸鏈線特征，完整工況下，底部錨鏈尚有部分躺底，而破斷工況下，由于頂端張力更大，系泊纜被拉緊，圖中可以明顯看出，張緊后系泊纜的弧度變小。

圖14(b)顯示的是最大張力作用下，纜繩與垂直方向的夾角隨水深的變化特點(diǎn)。從中可以看出，無論是完整還是破斷工況，該夾角均隨水平距離的增加呈現(xiàn)先趨于線性增大，隨后在鋼絲繩與錨鏈連接處出現(xiàn)突變，同時(shí)夾角增加速度更明顯的特征，這是因?yàn)殄^鏈比鋼絲繩更重，更不容易被拉起。

圖14 最大張力作用下，系泊纜形狀、纜繩與垂直方向的夾角隨水深的變化特征Fig. 14 Shape of mooring line, angle between mooring line and vertical direction vary respectively with the water depth under maximum tension

5.4 系泊系統(tǒng)的最終配置

基于系泊定位分析的結(jié)果，該半潛式支持平臺采用12點(diǎn)錨泊系統(tǒng)進(jìn)行定位；系泊絞車布置于平臺主甲板的左右舷四角隅附近，絞車實(shí)現(xiàn)系泊纜的收放及剎車定位；導(dǎo)鏈器安裝于平臺立柱側(cè)面，其功能為將系泊纜沿立柱表面垂直往下布置，導(dǎo)纜器一般位于平臺作業(yè)水線下方，以避免供應(yīng)船與平臺旁靠補(bǔ)給過程中與系泊纜發(fā)生剮蹭，同時(shí)還可沿軸向旋轉(zhuǎn)以滿足不同拋錨角度的需求；配置12個(gè)定位錨，定位錨楔入泥土提供抓持力；設(shè)計(jì)可供3個(gè)定位錨同時(shí)擺放布置的錨架，系泊系統(tǒng)從海上回收時(shí)，定位錨固定于錨架之上。

同時(shí)，由上述計(jì)算結(jié)果可知，該支持平臺的最大錨端張力約為4 300 kN，根據(jù)規(guī)范對移動式系泊系統(tǒng)錨端安全系數(shù)的要求，最終選擇重量為8 t，最大抓持力可達(dá)500 t的Stevpris大抓力錨作為該平臺的定位錨，具體如圖15所示。

圖15 半潛式支持平臺的系泊系統(tǒng)布置Fig. 15 Mooring system layout of semi-submersible support platform

6 結(jié) 語

對半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行系統(tǒng)研究，并應(yīng)用于某型半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)，可獲得如下結(jié)論：

1) 波浪慢漂載荷是對平臺系泊系統(tǒng)的定位能力影響較大的參數(shù)之一，該載荷的大小與入射角度有關(guān)，同時(shí)隨波浪頻率的變化而呈現(xiàn)振蕩特征。

2) 無論是完整工況還是破斷工況，平臺的最大偏移和纜繩的最大張力均發(fā)生在同一風(fēng)浪流角度；相比完整工況，在單根纜繩破斷條件下，無論是纜繩的張力還是平臺的偏移均顯著增加，對平臺安全性構(gòu)成一定威脅，是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

3) 系泊纜的形狀與張力關(guān)系密切，在重力的作用下，系泊纜形狀呈現(xiàn)懸鏈線特征，相比完整工況，因破斷工況下的頂端張力更大，纜繩被拉緊，張緊后系泊纜的弧度變小，底端錨需提供更大的抓持力。此外，纜繩與垂直方向的夾角隨水平距離的增加將呈現(xiàn)先線性增大，隨后在鋼絲繩與錨鏈連接處出現(xiàn)突變，同時(shí)夾角增加速度更明顯的特征。

4) 系泊纜張力和錨端躺底段長度是考核系泊系統(tǒng)能否滿足安全性要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理經(jīng)濟(jì)的主要指標(biāo)?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)方法，該半潛式支持平臺系泊系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)均滿足規(guī)范要求。此外，無論是纜繩的張力還是躺底長度均富余較小，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)緊湊，經(jīng)濟(jì)性較好。

相關(guān)設(shè)計(jì)方法、流程和結(jié)論可用于實(shí)際工程項(xiàng)目中系泊系統(tǒng)的研發(fā)，并提供重要的設(shè)計(jì)思路。