冰區(qū)浮式核電平臺定位系統(tǒng)優(yōu)化設計

李紅霞， 王瑩， 黃一， 季順迎

(大連理工大學 運載工程與力學學部，遼寧 大連 116024)

北極戰(zhàn)略資源開發(fā)受到國際社會的普遍關注，但海上資源開發(fā)需能源供應。傳統(tǒng)柴油發(fā)電模式易造成空氣污染，零碳排放且可持續(xù)供給的核能，具有其他能源不可比擬的優(yōu)勢。冰區(qū)浮式核電平臺可為冰區(qū)海上開發(fā)作業(yè)提供持續(xù)電能、熱能和淡水[1]，雖然核能有安全隱患，但也因自身優(yōu)勢，使與之相關的工程裝備具有無法替代的特殊地位[2]。此外，我國海域也有冰區(qū)，設計可適應冰區(qū)海洋環(huán)境的浮式核電裝備，對冰區(qū)海洋開發(fā)意義重大。很多學者對此進行了廣泛而深入的研究。浮式核電平臺設計方面，Buongiorno等[3-4]提出了一種圓柱型浮動式核電站概念。學者分別提出了重力基礎式和下沉式海上核電平臺概念[5]。Hu等[6]對海洋環(huán)境中平臺堆芯失穩(wěn)問題進行了研究。薛彥卓[7]梳理出極地船舶與浮體結構物有待研究的力學問題。冰載荷預報方面，黃炎等[8]采用模型試驗研究了冰載荷隨冰速、冰厚等變量的變化規(guī)律；季順迎等[9-11]運用離散單元法對浮冰與船體的相互作用進行數(shù)值仿真，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的冰載荷預報軟件Sdem。在系泊系統(tǒng)研究方面，Hamidreza等[12]研究了系統(tǒng)參數(shù)敏感性。康莊等[13]從定位能力方面對比了張緊式與半張緊式系泊。劉元丹等[14]研究了風浪流載荷下單點系泊浮體的響應。喬東升等[15]研究了張緊式錨泊動張力。但目前的浮式核電平臺概念很少涉及冰區(qū)海洋中的定位問題，海冰區(qū)浮體系泊系統(tǒng)響應研究也較少見。本文針對自主設計的1 000 m水深浮式核電平臺，用時域耦合算法研究在冰、浪、流、風作用下的平臺響應，探究系統(tǒng)參數(shù)影響規(guī)律，以提高定位效果、降低系泊動張力幅值為目標，優(yōu)化系統(tǒng)設計。

1 初始設計方案及分析

海上浮式平臺的運動方程包含慣性力、阻尼力、回復力、系泊力及環(huán)境載荷，具體如下：

(1)

Fm2i(t)-FIi(t)

(2)

對于有系泊系統(tǒng)的浮式平臺動力分析常采用集中質量法，將系泊纜進行離散，每段用一質點表示，質點間通過彈簧連接，最終結合運動方程求解浮體的運動響應及各纜繩的張力響應結果。

根據(jù)核電平臺功能性要求，完成了分離式核電平臺總體設計。該平臺共包含3部分：內(nèi)部核堆支撐平臺、外部環(huán)境承載平臺和連接機構。外平臺為圓臺對接的沙漏型結構，內(nèi)平臺為圓柱型結構，主要用來放置核反應堆裝置[3]。該平臺的系泊系統(tǒng)由內(nèi)部張力腿系泊和外部半張緊式系泊構成，分別限制水平面外和水平面內(nèi)的運動，從而巧妙約束平臺整體6個自由度的運動。平臺的主要參數(shù)如表1，平臺總布置如圖1所示。

表1 平臺主要參數(shù)Table 1 The main parameters of platform

根據(jù)北極海域的海況統(tǒng)計情況確定無冰時的計算海況如表2所示。由于浮體為回轉體，一般浪風流同向時系泊系統(tǒng)受力較大，后續(xù)計算中浪風流取為同向，浪向角取0°(between lines)和45°(in lines)2個方向。

表2 北極海域計算海況Table 2 The calculated sea condition of Arctic zone

系泊系統(tǒng)的設計條件一般包括平臺的水平偏移量、系泊纜的張力限制、安全系數(shù)以及疲勞壽命等，參考規(guī)范主要為API RP 2SK和API RP 2SM規(guī)范，本文主要從平臺水平偏移和系泊纜張力這2個方面進行研究。

圖1 冰區(qū)核電平臺總布置Fig.1 The layout of nuclear power platform

一般而言，在正常作業(yè)工況下，API規(guī)范允許的位移量為5%水深，而根據(jù)工程經(jīng)驗，在生存工況下，允許的位移量為10%水深，以保證平臺的正常作業(yè)。對于系泊纜的張力，通過最大張力安全系數(shù)來衡量，即系泊纜所受最大張力占錨泊線破斷強度(MBS)的百分比。極限條件下的安全系數(shù)為1.25。

平臺外部采用了半張緊式的系泊系統(tǒng)，初選為12根均布式系泊系統(tǒng)進行研究，具體形式如圖2所示。系泊水深為1 000 m，系纜長度為2 120 m，系泊半徑為1 850 m，預張力為1 980 kN，預張力傾角為42.8°，系泊纜材料如表3所示。

圖2 均布式系泊系統(tǒng)設計Fig.2 The layout of even-distributed mooring system

表3 系泊纜繩材料Table 3 The cable material of mooring system

連接機構選用彈簧阻尼連接，連接機構設計為4組彈簧與阻尼器，對稱安裝在內(nèi)外平臺中部位置，如圖3所示[18]。連接機構阻尼器阻尼系數(shù)為2 000 kN·s/m，彈簧剛度系數(shù)為100 kN/m。

圖3 彈簧阻尼連接機構Fig.3 Spring-damp connecting mechanism

環(huán)境載荷承載平臺腰線下部獨特的傾角設計使海冰主要破壞形式為彎曲破碎，大大減少結構所受冰載荷，其上部結構又可防止甲板上浪及碎冰爬升，保證作業(yè)的安全性。通過構造海冰離散元模型對外平臺冰載荷進行數(shù)值模擬。建立實尺度幾何模型，對冰原從未接觸平臺至穿過整個平臺并達到最終穩(wěn)定的全過程進行數(shù)值模擬。根據(jù)北極冰況[19]，取冰速設置為0.5 m/s，冰厚為1 m。平臺所受水平冰載荷和垂向冰載荷的時間歷程曲線見圖4、圖5。

可見，水平冰載荷呈階段性變化，接觸初期，載荷作用較小，隨后逐漸增大并達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定階段(200～600 s)平均值為14 317 kN，峰值發(fā)生在t=507.0 s，為30 206 kN。同樣，垂向冰載荷變化趨勢與水平冰載荷大致相同，峰值發(fā)生在t=575.6 s，為15 285 kN。得到冰力時程結果后，將該數(shù)據(jù)作為外載荷施加于平臺整體，計算平臺在單獨冰載荷作用及冰風流聯(lián)合作用下的運動響應，為保證計算精度，考慮計算時長為1 200 s，在后700 s運動達到穩(wěn)定。風流速度取六級海況下的風速和流速，方向與冰載荷作用方向相同。得到平臺六自由度運動響應最大值和系纜頂部張力最大值，結果見表4和表5。

圖4 平臺所受水平冰載荷Fig.4 The horizontal ice loads of platform

圖5 平臺所受垂向冰載荷Fig.5 The vertical ice loads of platform

表4 外部平臺運動響應最大值統(tǒng)計Table 4 Maximun motion response of outer platform

可見，冰載荷對平臺縱蕩、橫蕩和垂蕩運動影響較大，對橫搖、縱搖和首搖運動影響較小，因為冰載荷作用位置與平臺重心相差較小使得其力矩較小；風流載荷對平臺縱蕩影響較大，對其余自由度影響較小。冰區(qū)環(huán)境中，定位系統(tǒng)對平臺運動具有控制能力。在兩種情況下，9號系泊纜受力最大，最大值分別為3 492 kN和4 696 kN，滿足規(guī)范要求。

表5 系泊纜最大張力統(tǒng)計Table 5 Results of maximum mooring line tension

2 定位系統(tǒng)優(yōu)化設計

定位能力影響主要因素包括：系泊布置形式、系泊纜數(shù)目、纜間夾角、預張力傾角、預張力大小、連接機構形式等。基于三維勢流輻射-繞射理論對平臺的定位系統(tǒng)進行動力響應時域分析[14]。

2.1 系泊布置形式優(yōu)化

浮式平臺系泊系統(tǒng)通常包括多根系泊纜，其布置形式之間影響定位能力。除初始12根均布式系泊方案，還比較了四點式系泊方案。后者布置方式為將12根纜繩分為4組，每組相鄰2根之間的夾角為5°，每2組系泊纜中心線間的夾角為90°，見圖6?？紤]載荷作用方向為0°，計算結果見表6和表7。由于單根系泊纜頂部導纜孔處張力最大且聚酯纖維纜破斷載荷大于錨鏈，故取系泊纜頂部最大張力進行校核，后面計算同理。

可見，均布式和四點式系泊在各計算工況下平臺的縱向位移相差較小，約為0.6%。但均布式系泊較四點式系泊最大張力值偏大，在百年一遇極限海況下前者安全系數(shù)小于1.25，已不滿足規(guī)范要求。選擇四點式系泊進行后續(xù)優(yōu)化。

2.2 系泊纜數(shù)目優(yōu)化

因半張緊式系泊主要限制水平面內(nèi)的運動，以縱蕩位移為優(yōu)化目標。計算8根、12根及16根系泊纜，在0°方向載荷作用時的時域結果，見表8。不同系泊纜數(shù)目對應的系泊纜頂部張力響應結果見表9。

表8 0°載荷下不同數(shù)目系泊纜的平臺縱向位移最大值Table 8 The maximum longitudinal platform motion for different mooring lines numbers in 0° load direction

表90°載荷下不同數(shù)目系泊纜的頂部張力最大值

Table 9 The maximum top tension for different mooring lines numbers in 0° load directionkN

由計算結果可見，隨著系泊纜數(shù)量增加，平臺偏移量減小，定位能力增強；8根系泊纜在百年一遇極限工況下偏移量達到9.45%。隨著系泊纜數(shù)量增加，系泊纜頂部最大張力減小，12根與16根系泊纜布置時其頂部張力都較小，安全系數(shù)較高。綜合考慮平臺定位性能和經(jīng)濟性能，優(yōu)先選用12根系泊纜方案。

2.3 系泊纜間夾角優(yōu)化

系泊纜間夾角一般為4～15°，計算5°、10°和15°這3種情況。選取極限海況進行計算，不同夾角下平臺運動響應和系纜頂部張力結果見表10。

表10 極限海況下不同系泊纜間夾角的響應結果

可見，纜間夾角為5°時，平臺偏移量較小，纜頂部最大張力也較小；夾角為10°時，平臺運動響應整體較大；隨著系泊纜夾角增大，系泊纜頂部最大張力增加，僅5°夾角時系泊纜能夠滿足安全性要求(大于1.25)。因此，纜間夾角取5°。

2.4 預張力大小優(yōu)化

預張力是指系泊系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下無外界擾動時的初始張力值，通過改變系泊纜中間段的長度來改變該值。系泊半徑為1 850 m，選取臨界狀態(tài)(纜恰好繃直)時中間段纜長1 483 m、初選纜長1 500 m及較松弛時纜長1 517 m進行計算，平臺運動響應及系纜頂部張力結果見表11。

表11 極限海況下不同預張力大小的響應最大值

可見，隨著預張力減小，平臺水平位移明顯增大，預張力為1 670 kN時平臺水平位移最大，不能滿足規(guī)范要求。隨著預張力的增大，系泊纜頂部最大張力也增大，當預張力為2 500 kN時，在45°載荷作用方向下，系泊纜頂部最大張力達8 695 kN，安全系數(shù)為0.92，不滿足規(guī)范要求。最終選擇1 980 kN為初始預張力，中間段纜長為1 500 m。

2.5 預張力傾角優(yōu)化

對于半張緊式系泊系統(tǒng)，預張力傾角也將影響其定位效果。通過調整系泊半徑來改變張力傾角，為保證預張力大小不變，同時調整系泊纜長度。故設置系泊半徑分別為1 800、1 840、1 850、 1 860、1 900 m進行分析，計算結果見表12。

可見，隨預張力傾角減小，平臺水平位移呈非線性變化，在傾角為42.8°時最小。

表12 極限海況下不同預張力傾角的響應結果

2.6 連接機構優(yōu)化設計

彈簧阻尼連接機構傳遞6自由度受力。為更好解耦內(nèi)、外平臺橫搖、縱搖、垂蕩3自由度運動，提出了分離式連接機構，見圖7。該機械機構通過圓環(huán)和滑動套筒解耦上述3自由度運動。

圖7 分離式連接機構示意圖Fig.7 separation type connecting mechanism

百年一遇海況，風浪流0°入射時，內(nèi)部平臺水平面外運動最值結果見表13?？梢?，分離式連接機構可有效減少平面外運動幅值，設計方案更優(yōu)。

表13 內(nèi)部平臺水平面外運動最大值

3 結論

1) 在冰、風、流環(huán)境中，浮式核電平臺定位系統(tǒng)具有定位能力。

2) 在風、浪、流環(huán)境中，系纜張力較大，在所選參數(shù)范圍內(nèi)，隨著系泊纜數(shù)目增加和纜間夾角減小，平臺運動響應及系泊纜頂端最大張力都減小。

3) 初始預張力的增加雖使平臺水平位移減小，但最大張力會增加。

4)相對而言四點式較均布式定位能力更優(yōu)，分離式連接機構較彈簧阻尼式連接機構更優(yōu)。

5) 優(yōu)化結果使得計算工況下平臺的水平偏移量和纜索動張力最大值均滿足規(guī)范要求，為實際工程應用提供了合理參考。

本文研究的冰情、海情不夠充分，還需考慮不同冰厚、冰速、碎冰、海冰密集度、萬年一遇海況等研究系統(tǒng)定位能力。