近島礁浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

吳 波，范垂中，葉永林，程小明，許心愿，何 亮

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082；2.大連船舶重工集團(tuán)海洋工程有限公司，遼寧大連116039）

0 引 言

海洋蘊(yùn)含著豐富的油氣資源和漁業(yè)資源，開(kāi)發(fā)利用我國(guó)的島礁成為經(jīng)濟(jì)與技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]。浮式結(jié)構(gòu)物可以作為近島礁的浮動(dòng)基地，為我國(guó)南海的島礁建設(shè)與資源開(kāi)發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。浮式平臺(tái)布放于近島礁海域，如圖1 所示，通過(guò)棧橋與島礁相連，具有船舶?？俊⒃牧涎b卸、人員生活等功能，這些功能對(duì)于在無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的島礁上開(kāi)展工程施工極為重要；同時(shí)，浮式平臺(tái)具有部署快速、使用靈活的特點(diǎn)。浮式平臺(tái)通過(guò)系泊系統(tǒng)固定于近島礁的作業(yè)海域，承受所在海域的風(fēng)浪流的作用，因此其系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是浮式平臺(tái)研究的重要方面。國(guó)內(nèi)外在平臺(tái)系泊系統(tǒng)研究方面的工作，絕大多數(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)的懸鏈線式或張緊式系泊系統(tǒng)。

周素蓮[2]針對(duì)半潛平臺(tái)，采用了不同根數(shù)的布錨方案，對(duì)比分析了系泊張力與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；陳新權(quán)[3]針對(duì)張緊式系泊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了三段式系泊纜，開(kāi)展了靜力特性的研究，分析了系泊纜布置對(duì)系統(tǒng)回復(fù)力的影響規(guī)律；范亞麗[4]以深水半潛平臺(tái)為對(duì)象，采用張緊式系泊方式對(duì)平臺(tái)進(jìn)行系泊定位，通過(guò)數(shù)值計(jì)算證明了所設(shè)計(jì)系泊方式下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與系泊張力均滿足規(guī)范要求；鄧露等[5]針對(duì)半潛型浮式風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)了懸鏈線式系泊系統(tǒng)方案，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法開(kāi)展計(jì)算分析，得到預(yù)張力、預(yù)張角的變化對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以及系泊張力的影響；趙晶瑞[6]以深水FDPSO 為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了懸鏈線式、張緊式系泊系統(tǒng)，應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)系統(tǒng)系統(tǒng)的力學(xué)特性進(jìn)行分析，并對(duì)比了兩種系泊方式的特點(diǎn)；Fontaine等[7]以FPSO為研究對(duì)象，對(duì)設(shè)計(jì)的懸鏈線式系泊系統(tǒng)進(jìn)行研究，為后續(xù)的系泊優(yōu)化設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)；Brindley[8]針對(duì)作業(yè)于北海的半潛式鉆井平臺(tái)，分析實(shí)際工程情況，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬，得出的結(jié)論認(rèn)為在分段式系泊系統(tǒng)中需選用較重的錨鏈，提高系泊纜破斷張力；Kim 等[9]以浮式風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)三點(diǎn)分布的懸鏈線式系泊系統(tǒng)，采用無(wú)檔錨鏈，應(yīng)用AQWA開(kāi)展數(shù)值計(jì)算，研究了風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

對(duì)于近島礁浮式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于淺水深的影響，傳統(tǒng)的懸鏈線式與張緊式系泊方案均存在局限性，生存海況下平臺(tái)容易發(fā)生觸底與負(fù)氣隙的情況；同時(shí)，考慮到平臺(tái)提供船舶?？康墓δ芤?，其停船一側(cè)的布錨設(shè)計(jì)同樣受到限制[9-13]。綜上考慮，論文提出了一種樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并基于三維勢(shì)流理論與時(shí)域分析方法[14]，對(duì)所設(shè)計(jì)的浮式平臺(tái)樁柱式系泊系統(tǒng)以及船舶停靠下的整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)展了水動(dòng)力性能評(píng)估。

圖1 島礁建設(shè)用浮式平臺(tái)Fig.1 Floating platform for island construction

1 平臺(tái)與系泊系統(tǒng)模型

1.1 浮式平臺(tái)參數(shù)

浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體構(gòu)型，其主要參數(shù)見(jiàn)表1，生存工況吃水為2.5 m，作業(yè)工況吃水為3.5 m。

表1 平臺(tái)主尺度Tab.1 Main dimensions of the platform

1.2 樁柱式系泊系統(tǒng)

浮式平臺(tái)樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。應(yīng)用樁柱式系泊設(shè)計(jì)方案可以減小海床地形與淺水深條件的影響，與傳統(tǒng)的布錨方式對(duì)船舶停靠的制約不同，樁柱式系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于平臺(tái)外側(cè)船舶的停靠[15]。

圖2 平臺(tái)樁柱式系泊系統(tǒng)模型Fig.2 Pile-post mooring system model of the floating platform

在平臺(tái)近島礁一側(cè)布置兩根直徑2 m、高20 m 的鋼筋混凝土樁柱；平臺(tái)與樁柱之間設(shè)計(jì)安裝有直徑4.5 m的防碰墊，用于阻止平臺(tái)向樁柱一側(cè)的位移；同時(shí)設(shè)計(jì)有系泊纜連接平臺(tái)與樁柱，采用橫向與斜向兩個(gè)方向的系泊纜來(lái)限制平臺(tái)在橫向與縱向的運(yùn)動(dòng)，每根樁柱與平臺(tái)之間設(shè)計(jì)有12根橫向系泊纜與6 根斜向系泊纜，系泊纜材料為聚酯纖維，系泊纜與防碰墊的主要參數(shù)見(jiàn)表2，表中D 為變形量，單位為m。

表2 系泊纜與防碰墊主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of mooring lines and fenders

1.3 環(huán)境工況參數(shù)

浮式平臺(tái)布置于近島礁海域水深為10 m 的礁盤區(qū)域，考慮海域波浪與風(fēng)的作用，由于海流的流速相對(duì)較小，研究中暫不考慮。平臺(tái)生存狀態(tài)與作業(yè)狀態(tài)下的環(huán)境條件定義如表3所示。

表3 環(huán)境條件Tab.3 Environmental conditions

2 平臺(tái)系泊系統(tǒng)研究

2.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

對(duì)樁柱式系泊系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算采用時(shí)域方法進(jìn)行，對(duì)每一海況開(kāi)展3 h不規(guī)則波作用下的數(shù)值計(jì)算。生存海況下平臺(tái)吃水為2.5 m，旁邊無(wú)其它船舶?？浚瑏?lái)波為3 m 有義波高。圖3為生存工況下，平臺(tái)在不同方向風(fēng)浪作用下縱蕩、橫蕩、垂蕩與橫搖的時(shí)歷運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。從浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)歷曲線可見(jiàn)，0°風(fēng)浪作用下平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)最大可達(dá)到2.3 m；而45°風(fēng)浪作用下平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小，升沉的最大幅值為0.95 m；對(duì)于較為關(guān)心的90°環(huán)境力作用，平臺(tái)向樁柱一側(cè)橫蕩的最大值為1.41 m，而橫搖的最大值可以達(dá)到13.5°。

圖3 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.3 Time history of motion response of the platform

平臺(tái)在生存及作業(yè)工況下的最大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)于生存工況，平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)在0°環(huán)境力作用下相對(duì)較大，而平臺(tái)的橫蕩、垂蕩與橫搖運(yùn)動(dòng)則在90°風(fēng)浪作用下較為突出，垂蕩可達(dá)3.02 m，最大橫搖角度為13.5°。對(duì)于作業(yè)工況，樁柱式系泊設(shè)計(jì)下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較小，90°風(fēng)浪作用下垂蕩的幅值最大為1.20 m，最大橫搖響應(yīng)為7.25°。

表4 平臺(tái)最大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistic results of maximal motion responses of the platform

從平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的角度分析，樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)較好地避免了傳統(tǒng)的懸鏈線及張緊式系泊方案在淺水深條件下所產(chǎn)生的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)難以滿足棧橋連接處對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度的要求問(wèn)題。從數(shù)值角度分析，樁柱式系泊系統(tǒng)在限制平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也約束了平臺(tái)的波頻響應(yīng)，將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)控制在一個(gè)相對(duì)較好的范圍。

2.2 系泊系統(tǒng)受力特性

樁柱式系泊系統(tǒng)在生存工況下的受力特性分析與平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算同樣在時(shí)域進(jìn)行。圖4所示為90°方向風(fēng)浪作用下樁柱、防碰墊、橫向系泊纜與斜向系泊纜受力的時(shí)歷曲線。橫向系泊纜受力為系泊點(diǎn)處12 根橫向系泊纜受力之和，而斜向系泊纜受力為系泊點(diǎn)處6 根斜向系泊纜受力之和。樁柱與防碰墊主要受到方向指向樁柱的力的作用，其數(shù)值最大值分別為1 220 t與747 t。90°環(huán)境力作用下橫向系泊纜張力的數(shù)值較大，最大約為1 410 t，而斜向系泊纜張力最大為79.8 t。

圖4 系泊系統(tǒng)受力時(shí)歷曲線Fig.4 Time history of the load of mooring system

樁柱式系泊系統(tǒng)在生存工況與無(wú)船舶?？繒r(shí)作業(yè)工況下的最大受力數(shù)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)于樁柱式系泊系統(tǒng)的樁柱與防碰墊，90°環(huán)境力作用下的受力數(shù)值相對(duì)較大，每根樁柱與平臺(tái)間設(shè)計(jì)的12根橫向系泊纜同樣在90°環(huán)境力作用下張力最大，數(shù)值最大可達(dá)千噸的量級(jí)，而樁柱與平臺(tái)間的6根斜向系泊纜在0°環(huán)境力下張力較大，生存海況下的數(shù)值可達(dá)447 t。

表5 樁柱式系泊系統(tǒng)最大受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Statistic results of maximal loads acting on the pile mooring system

3 船舶停靠下系統(tǒng)研究

3.1 作業(yè)工況參數(shù)

船舶?？坑谄脚_(tái)的外側(cè)，主尺度參數(shù)見(jiàn)表6。船舶?？肯缕脚_(tái)樁柱式系泊系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。平臺(tái)與船舶之間通過(guò)系纜連接，同時(shí)設(shè)計(jì)有防碰墊來(lái)控制船舶向平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。在船舶的前后側(cè)分別設(shè)計(jì)有2×2的斜向系纜，平臺(tái)與船舶間的系纜和防碰墊主要參數(shù)見(jiàn)表7。?？看凹捌脚_(tái)系泊系統(tǒng)的響應(yīng)分析在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行，計(jì)算中考慮了船舶與平臺(tái)之間的水動(dòng)力干擾。環(huán)境條件的定義參見(jiàn)表3 中作業(yè)狀態(tài)的環(huán)境參數(shù)，計(jì)算的風(fēng)浪方向包括0°、45°、90°、135°與180°。

圖5 船舶停靠下平臺(tái)樁柱式系泊系統(tǒng)模型Fig.5 Pile-post mooring system model of the floating platform with a cargo ship

表7 平臺(tái)與船舶間的系纜和防碰墊主要參數(shù)Tab.7 Main parameters of mooring lines and fenders between platform and cargo ship

3.2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

圖6為平臺(tái)與船舶在90°風(fēng)浪作用下的橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線。對(duì)于作業(yè)工況，90°環(huán)境力作用下平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)的最大幅值為0.86 m，而平臺(tái)外側(cè)所停靠的船舶的橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相對(duì)偏大，其橫蕩運(yùn)動(dòng)的方向指向平臺(tái)，數(shù)值最大可達(dá)2.25 m。

圖6 橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線（90o風(fēng)浪作用）Fig.6 Time history of sway motion(90°)

平臺(tái)與船舶在不同方向的風(fēng)浪作用下作業(yè)狀態(tài)的最大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果參見(jiàn)表8。分析5 個(gè)主要方向環(huán)境力作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值規(guī)律，總體而言90°風(fēng)浪作用下船舶及平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)數(shù)值偏大。90°環(huán)境力下所系泊?？看暗臋M蕩、垂蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值分別達(dá)到2.25 m、1.10 m 和8.95°，而所對(duì)應(yīng)平臺(tái)的橫蕩、垂蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大值分別為0.86 m、0.14 m和3.39°。

表8 平臺(tái)與船舶最大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.8 Statistic results of maximal motion responses for platform and cargo ship

3.3 系泊系統(tǒng)受力特性

船舶?？肯缕脚_(tái)系泊系統(tǒng)的受力特性也在時(shí)域進(jìn)行，對(duì)每一工況分析3 h不規(guī)則波作用下船舶與平臺(tái)系泊系統(tǒng)受力的數(shù)值規(guī)律。圖7為90°方向風(fēng)浪作用下停船防碰墊和停船系纜受力的時(shí)歷曲線。橫向系泊纜受力為系泊點(diǎn)處12 根橫向系泊纜受力之和，而斜向系泊纜受力為系泊點(diǎn)處6 根斜向系泊纜受力之和。船舶與平臺(tái)間防碰墊、系纜受力的最大值分別為392 t與325 t。

船舶?？肯抡麄€(gè)系泊系統(tǒng)在不同方向的風(fēng)浪作用下作業(yè)狀態(tài)的最大受力數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表9?？紤]了作業(yè)時(shí)平臺(tái)外側(cè)船舶?？康膹?fù)雜狀態(tài)，對(duì)于樁柱式系泊系統(tǒng)，樁柱、防碰墊與橫向系泊纜受力的最大值出現(xiàn)在90°環(huán)境力作用時(shí)，最大值分別達(dá)到了1 000 t、683 t和998 t，而斜向系泊纜在45°環(huán)境力作用時(shí)較大，數(shù)值約為175 t。同樣，分析船舶與平臺(tái)間所設(shè)計(jì)的防碰墊和系纜，其受力在45°和90°的風(fēng)浪作用下數(shù)值較大，對(duì)于所研究的5 個(gè)風(fēng)浪方向，停船防碰墊與系纜受力的數(shù)值均在百噸的量級(jí)，最大可達(dá)1 000 t。

圖7 停船防碰墊和系纜受力時(shí)歷曲線Fig.7 Time history of the load on ship fender and mooring lines

表9 船舶?？肯孪挡聪到y(tǒng)最大受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.9 Statistic results of maximal loads acting on the mooring system of platform and cargo ship

4 結(jié) 論

本文針對(duì)浮式平臺(tái)，考慮近島礁淺水深條件的限制與船舶?？康脑O(shè)計(jì)要求，提出了樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展了平臺(tái)以及船舶?？肯缕脚_(tái)系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析，得出了如下主要結(jié)論：

（1）對(duì)于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)避免了懸鏈線及張緊式系泊方案在淺水深條件下所產(chǎn)生的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)控制在一個(gè)相對(duì)較好的范圍；

（2）平臺(tái)樁柱式系泊系統(tǒng)的樁柱、防碰墊以及系泊纜的受力特性的分析結(jié)果顯示了該系泊系統(tǒng)在所考慮的生存工況及作業(yè)工況下的可行性。該系泊方案可為水池模型試驗(yàn)與平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供重要參考。