近島礁浮式平臺系泊系統(tǒng)設(shè)計研究

吳 波，范垂中，葉永林，程小明，許心愿，何 亮

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫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

海洋蘊含著豐富的油氣資源和漁業(yè)資源，開發(fā)利用我國的島礁成為經(jīng)濟(jì)與技術(shù)發(fā)展的重要趨勢[1]。浮式結(jié)構(gòu)物可以作為近島礁的浮動基地，為我國南海的島礁建設(shè)與資源開發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)。浮式平臺布放于近島礁海域，如圖1 所示，通過棧橋與島礁相連，具有船舶停靠、原材料裝卸、人員生活等功能，這些功能對于在無基礎(chǔ)設(shè)施的島礁上開展工程施工極為重要；同時，浮式平臺具有部署快速、使用靈活的特點。浮式平臺通過系泊系統(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)計與分析是浮式平臺研究的重要方面。國內(nèi)外在平臺系泊系統(tǒng)研究方面的工作，絕大多數(shù)是針對傳統(tǒng)的懸鏈線式或張緊式系泊系統(tǒng)。

周素蓮[2]針對半潛平臺，采用了不同根數(shù)的布錨方案，對比分析了系泊張力與平臺運動響應(yīng)；陳新權(quán)[3]針對張緊式系泊系統(tǒng)，設(shè)計了三段式系泊纜，開展了靜力特性的研究，分析了系泊纜布置對系統(tǒng)回復(fù)力的影響規(guī)律；范亞麗[4]以深水半潛平臺為對象，采用張緊式系泊方式對平臺進(jìn)行系泊定位，通過數(shù)值計算證明了所設(shè)計系泊方式下平臺的運動響應(yīng)與系泊張力均滿足規(guī)范要求；鄧露等[5]針對半潛型浮式風(fēng)機(jī)，設(shè)計了懸鏈線式系泊系統(tǒng)方案，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法開展計算分析，得到預(yù)張力、預(yù)張角的變化對平臺運動以及系泊張力的影響；趙晶瑞[6]以深水FDPSO 為研究對象，分別設(shè)計了懸鏈線式、張緊式系泊系統(tǒng)，應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)方法對系統(tǒng)系統(tǒng)的力學(xué)特性進(jìn)行分析，并對比了兩種系泊方式的特點；Fontaine等[7]以FPSO為研究對象，對設(shè)計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)計提供研究基礎(chǔ)；Brindley[8]針對作業(yè)于北海的半潛式鉆井平臺，分析實際工程情況，通過數(shù)值計算模擬，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)為研究對象，設(shè)計三點分布的懸鏈線式系泊系統(tǒng)，采用無檔錨鏈，應(yīng)用AQWA開展數(shù)值計算，研究了風(fēng)機(jī)的運動響應(yīng)。

對于近島礁浮式平臺的系泊系統(tǒng)設(shè)計，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，生存海況下平臺容易發(fā)生觸底與負(fù)氣隙的情況；同時，考慮到平臺提供船舶?？康墓δ芤?，其停船一側(cè)的布錨設(shè)計同樣受到限制[9-13]。綜上考慮，論文提出了一種樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計方案，并基于三維勢流理論與時域分析方法[14]，對所設(shè)計的浮式平臺樁柱式系泊系統(tǒng)以及船舶?？肯碌恼麄€系統(tǒng)開展了水動力性能評估。

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

1 平臺與系泊系統(tǒng)模型

1.1 浮式平臺參數(shù)

浮式平臺設(shè)計為長方體構(gòu)型，其主要參數(shù)見表1，生存工況吃水為2.5 m，作業(yè)工況吃水為3.5 m。

表1 平臺主尺度Tab.1 Main dimensions of the platform

1.2 樁柱式系泊系統(tǒng)

浮式平臺樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。應(yīng)用樁柱式系泊設(shè)計方案可以減小海床地形與淺水深條件的影響，與傳統(tǒng)的布錨方式對船舶?？康闹萍s不同，樁柱式系泊系統(tǒng)的設(shè)計有利于平臺外側(cè)船舶的?？縖15]。

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

在平臺近島礁一側(cè)布置兩根直徑2 m、高20 m 的鋼筋混凝土樁柱；平臺與樁柱之間設(shè)計安裝有直徑4.5 m的防碰墊，用于阻止平臺向樁柱一側(cè)的位移；同時設(shè)計有系泊纜連接平臺與樁柱，采用橫向與斜向兩個方向的系泊纜來限制平臺在橫向與縱向的運動，每根樁柱與平臺之間設(shè)計有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較小，研究中暫不考慮。平臺生存狀態(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 平臺系泊系統(tǒng)研究

2.1 平臺運動響應(yīng)分析

對樁柱式系泊系統(tǒng)平臺運動響應(yīng)的計算采用時域方法進(jìn)行，對每一海況開展3 h不規(guī)則波作用下的數(shù)值計算。生存海況下平臺吃水為2.5 m，旁邊無其它船舶?？?，來波為3 m 有義波高。圖3為生存工況下，平臺在不同方向風(fēng)浪作用下縱蕩、橫蕩、垂蕩與橫搖的時歷運動響應(yīng)。從浮式平臺運動響應(yīng)的時歷曲線可見，0°風(fēng)浪作用下平臺的縱蕩運動最大可達(dá)到2.3 m；而45°風(fēng)浪作用下平臺的垂蕩運動相對較小，升沉的最大幅值為0.95 m；對于較為關(guān)心的90°環(huán)境力作用，平臺向樁柱一側(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 平臺運動響應(yīng)時歷曲線Fig.3 Time history of motion response of the platform

平臺在生存及作業(yè)工況下的最大運動響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果見表4。對于生存工況，平臺的縱蕩運動在0°環(huán)境力作用下相對較大，而平臺的橫蕩、垂蕩與橫搖運動則在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°。對于作業(yè)工況，樁柱式系泊設(shè)計下平臺的運動響應(yīng)相對較小，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 平臺最大運動響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果Tab.4 Statistic results of maximal motion responses of the platform

從平臺運動響應(yīng)的角度分析，樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計較好地避免了傳統(tǒng)的懸鏈線及張緊式系泊方案在淺水深條件下所產(chǎn)生的平臺運動難以滿足棧橋連接處對運動幅度的要求問題。從數(shù)值角度分析，樁柱式系泊系統(tǒng)在限制平臺慢漂運動的同時也約束了平臺的波頻響應(yīng)，將平臺的運動響應(yīng)控制在一個相對較好的范圍。

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的運動響應(yīng)計算同樣在時域進(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歷曲線。橫向系泊纜受力為系泊點處12 根橫向系泊纜受力之和，而斜向系泊纜受力為系泊點處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)在生存工況與無船舶停靠時作業(yè)工況下的最大受力數(shù)值的統(tǒng)計結(jié)果見表5。對于樁柱式系泊系統(tǒng)的樁柱與防碰墊，90°環(huán)境力作用下的受力數(shù)值相對較大，每根樁柱與平臺間設(shè)計的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，而樁柱與平臺間的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)計結(jié)果Tab.5 Statistic results of maximal loads acting on the pile mooring system

3 船舶?？肯孪到y(tǒng)研究

3.1 作業(yè)工況參數(shù)

船舶?？坑谄脚_的外側(cè)，主尺度參數(shù)見表6。船舶?？肯缕脚_樁柱式系泊系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。平臺與船舶之間通過系纜連接，同時設(shè)計有防碰墊來控制船舶向平臺的運動。在船舶的前后側(cè)分別設(shè)計有2×2的斜向系纜，平臺與船舶間的系纜和防碰墊主要參數(shù)見表7。停靠船舶及平臺系泊系統(tǒng)的響應(yīng)分析在時域內(nèi)進(jìn)行，計算中考慮了船舶與平臺之間的水動力干擾。環(huán)境條件的定義參見表3 中作業(yè)狀態(tài)的環(huán)境參數(shù)，計算的風(fēng)浪方向包括0°、45°、90°、135°與180°。

圖5 船舶停靠下平臺樁柱式系泊系統(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)運動響應(yīng)分析

圖6為平臺與船舶在90°風(fēng)浪作用下的橫蕩運動響應(yīng)時歷曲線。對于作業(yè)工況，90°環(huán)境力作用下平臺橫蕩運動的最大幅值為0.86 m，而平臺外側(cè)所?？康拇暗臋M蕩運動響應(yīng)相對偏大，其橫蕩運動的方向指向平臺，數(shù)值最大可達(dá)2.25 m。

圖6 橫蕩運動響應(yīng)時歷曲線（90o風(fēng)浪作用）Fig.6 Time history of sway motion(90°)

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

表8 平臺與船舶最大運動響應(yīng)統(tǒng)計結(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_系泊系統(tǒng)的受力特性也在時域進(jìn)行，對每一工況分析3 h不規(guī)則波作用下船舶與平臺系泊系統(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歷曲線。橫向系泊纜受力為系泊點處12 根橫向系泊纜受力之和，而斜向系泊纜受力為系泊點處6 根斜向系泊纜受力之和。船舶與平臺間防碰墊、系纜受力的最大值分別為392 t與325 t。

船舶?？肯抡麄€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)計結(jié)果見表9?？紤]了作業(yè)時平臺外側(cè)船舶?？康膹?fù)雜狀態(tài)，對于樁柱式系泊系統(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，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)境力作用時較大，數(shù)值約為175 t。同樣，分析船舶與平臺間所設(shè)計的防碰墊和系纜，其受力在45°和90°的風(fēng)浪作用下數(shù)值較大，對于所研究的5 個風(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，最大可達(dá)1 000 t。

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

表9 船舶停靠下系泊系統(tǒng)最大受力統(tǒng)計結(jié)果Tab.9 Statistic results of maximal loads acting on the mooring system of platform and cargo ship

4 結(jié) 論

本文針對浮式平臺，考慮近島礁淺水深條件的限制與船舶停靠的設(shè)計要求，提出了樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計方案，開展了平臺以及船舶停靠下平臺系泊系統(tǒng)的時域耦合分析，得出了如下主要結(jié)論：

（1）對于平臺的運動響應(yīng)，樁柱式系泊系統(tǒng)設(shè)計避免了懸鏈線及張緊式系泊方案在淺水深條件下所產(chǎn)生的平臺運動過大的問題，將平臺的運動響應(yīng)控制在一個相對較好的范圍；

（2）平臺樁柱式系泊系統(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與平臺系泊系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供重要參考。