標準型半潛生活平臺非對稱系泊設計

蔡 靈，柏洪濤

（1. 南通中遠海運船務工程有限公司 海工與新能源研發(fā)中心，江蘇南通 226006；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

標準型半潛生活平臺的主要功能是輔助其他鉆井類或生產類平臺，為作業(yè)人員提供生活居住設施，或為其他平臺儲運物資補給。標準型半潛生活平臺需要在世界不同海域進行平臺自身系泊定位，以及與其他不同類型的生產平臺進行聯合靠泊等不同形式的海上作業(yè)。標準型半潛生活平臺的系泊系統(tǒng)應滿足相應的作業(yè)定位要求，并且還需要適應不同海域的作業(yè)水深和海域環(huán)境條件。標準型半潛生活平臺系泊系統(tǒng)為了避開生產平臺的系泊系統(tǒng)和復雜的海底管線，一般采用非對稱的系泊形式。本文采用時域全耦合分析方法對平臺運動響應進行分析，并對錨泊系統(tǒng)進行設計。

1 平臺基本參數

標準型半潛式生活平臺由4個方形立柱和2個浮筒組成，采用8點錨泊系統(tǒng)，平臺側視圖及局部坐標系定義見圖1，標準型平臺主尺度取值情況見表1。

表1 標準型平臺主尺度

圖1 標準型半潛式生活平臺建模圖

1.2 研究區(qū)域環(huán)境條件基本參數

1.2.1 工作水深

標準型半潛生活平臺所處海域工作水深為1 500 m。

1.2.2 流荷載

標準型半潛生活平臺的試驗流速

V

及模擬海況見表2。

表2 試驗流速（全尺度）

標準型半潛生活平臺受到的流載荷(

F

,

F

)及作用中心(

C

,

C

,

C

)通過風洞試驗數據計算得到（見表3）。由于標準型平臺呈軸對稱，故流向取為0°、45°和90°其作用中心坐標相對于平臺基線定義。

表3 標準型流載荷大小及作用中心

1.2.3 風荷載

標準型半潛生活平臺的試驗流速

V

及模擬海況見表4。標準型半潛生活平臺受到的風載荷(

F

,

F

)及作用中心(

C

,

C

,

C

)通過風洞試驗數據計算得到（見表5）。

表4 試驗風速（全尺度）

表5 標準型風載荷大小及作用中心

1.2.4 波浪

根據指定的有義波高、峰譜周期和波譜，對不規(guī)則波進行模擬。試驗使用JONSWAP波浪譜，譜密度函數為

式中：

S

為波浪譜的譜密度函數；

α

為無因次常數；

H

為有義波高；

γ

為譜峰因子；

f

為波浪頻率；

T

為譜峰周期；

σ

為譜峰形狀參數。每一個不規(guī)則波的持續(xù)時間為3 h，保證縱蕩、橫蕩和艏搖方向上的低頻運動有足夠的循環(huán)次數，實測有義波高

H

和峰譜周期

T

的誤差應不超過理論值的3%，峰值譜密度誤差應不超過5%，除波浪譜的尾部高頻區(qū)域外，其它頻率的譜密度誤差應在理論值的20%以內。波浪條件見表6。

表6 波浪條件

2 非對稱錨泊系統(tǒng)設計

本文采用以水動力性能分析為基礎，建立的半潛式平臺系泊系統(tǒng)模型，并采用勢流理論分析計算波浪載荷，運用ECAT和NLID卡片模擬錨鏈的動態(tài)運動。通過研究平臺的相對位移來分析不同非對稱錨泊系統(tǒng)的特征。標準型半潛生活平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)，將API-RP-2SM規(guī)范作為參考依據，系泊系統(tǒng)由8根系纜組成，為4×2布置形式，定位錨索的編號從1～8進行變化。其中，1號和4號錨泊線與

x

軸的夾角為35°，5號和8號錨泊線與

x

軸的夾角為42.5°，相鄰2根錨泊線之間的夾角為5°（見圖 2）。每根纜繩為鋼絲繩-錨鏈兩段式，系泊初始參數見表7，纜繩材料參數見表8，不同位置處系泊纜的長度見表 9，纜繩導纜孔及錨點坐標見表10，其中導纜孔坐標和錨點坐標相對于標準型支持平臺局部坐標系建立。

表7 標準型支持平臺系泊纜初始參數（全水深）

表8 標準型支持平臺系泊纜材料參數（全水深）

表9 標準型支持平臺系泊纜不同位置下的長度（全水深）

表10 導纜孔坐標和錨點坐標

圖2 標準型支持平臺非對稱系泊系統(tǒng)

3 標準型半潛生活平臺錨泊系統(tǒng)數值計算

3.1 錨泊系統(tǒng)整體工況

標準型平臺中心初始位置位于原點，平臺沿著

y

軸正方向逐漸移動，改變平臺的位置，而其他條件不變，研究平臺非對稱系泊方式的特點。。

在非對稱系泊系統(tǒng)狀態(tài)下，對平臺錨鏈張力和平臺響應進行研究。位置變化取3種不同變化量，分別計算平臺各運動情況（見表11）。

表11 深水半潛式支持平臺工況表

3.2 錨泊系統(tǒng)計算

3.2.1 錨鏈張力分析與計算

在0°浪向上，錨鏈3～錨鏈6主要受力；在45°浪向上，錨鏈3～錨鏈6為主要受力；在90°浪向上，錨鏈1～錨鏈4為主要受力。

1）對于 0°浪向下的較短錨鏈部分，錨鏈最大張力出現在位置移動500 m時的錨鏈5上，最大張力為4.21×10N，安全系數為1.53，滿足設計要求；如表12所示，錨鏈逐漸增長的部分最大錨鏈拉力逐漸減少，最大值為4.16×10N。

表12 0°浪向不同平臺位置下標準型平臺錨鏈最大張力（單位：N）

0°浪向下錨鏈最大張力隨平臺移動距離變化的情況如圖3所示，在移動距離為300 m時達到最小值。

圖3 0°浪向最大錨鏈張力隨平臺移動距離變化情況

2）45°浪向下，對于較長錨鏈部分，錨鏈最大張力出現在位置移動0 m的錨鏈4上，最大張力為4.32×10N，安全系數為1.48，滿足設計要求；錨鏈較短部分的錨鏈最大張力逐漸增加，最大值發(fā)生在5號錨鏈上，最大值為4.09×10N，具體見表13。45°浪向下錨鏈最大張力隨平臺移動距離變化的情況如圖4所示，錨鏈最大張力隨平臺移動距離的增大逐漸變小。

表13 45°浪向不同平臺位置下標準型平臺錨鏈最大張力（單位：N）

圖4 45°浪向最大錨鏈張力隨平臺移動距離變化情況

3）90°浪向下，對于較長錨鏈部分，錨鏈最大張力出現在位置改變90 m的錨鏈3上，最大張力為3.86×10N，安全系數為1.67，滿足設計要求；而對于較短錨鏈部分，最大值出現在錨鏈5上，錨鏈張力逐漸增加，最大值為3.80×10N，見表14。

表14 90°浪向不同平臺間隔下標準型平臺錨鏈最大張力（單位：N）

90°浪向下錨鏈最大張力隨平臺移動距離變化的情況如圖5所示，錨鏈最大張力在平臺移動距離為400 m時達到最小值。

圖5 90°浪向下不同平臺位置最大錨鏈張力變化圖

3.2.2 6自由度運動響應

1）0°浪向

橫蕩（Sway）的最大值出現在LC1，最大值為73.54 m，最小值為72.94 m。橫搖（Roll）的最大值出現在LC1，最大值為1.112 m，最小值為1.044 m，而其余的自由度變化較小，具體見表15。0°浪向下橫蕩（Sway）和橫搖（Roll）最大值呈不斷下降的趨勢，具體見圖6。

表15 標準型平臺6自由度響應

圖6 0°浪向下不同平臺位置橫蕩和橫搖最大值變化圖

2）45°浪向

橫蕩（Sway）的最大值出現在LC6，最大值為117.8 m，最小值為100.4 m。橫搖（Roll）的最大值出現在LC6，最大值為3.107 m，最小值為0.756 7 m，而其余的自由度變化較小，具體見表16。

表16 標準型平臺6自由度響應

45°浪向下橫蕩（Sway）和橫搖（Roll）最大值呈不斷下降的趨勢，具體見圖7。

圖7 45°浪向不同平臺位置橫蕩和橫搖最大值變化圖

3）90°浪向

橫蕩（Sway）的最大值出現在 LC11，最大值為95.82 m，最小值為86.77 m。橫搖（Roll）的最大值出現在 LC12，最大值為 3.464 m，最小值為1.107 m，而其余的自由度變化較小，具體見表18。

表18 標準型平臺6自由度響應

90°浪向下橫蕩最大值呈不斷下降的趨勢，橫搖最大值在平臺位置移動90 m以下時呈增大的趨勢，90 m處有最大值，在90 m以上處于不斷減小趨勢，具體見圖8。

圖8 90°浪向不同平臺位置橫蕩和橫搖最大值變化圖

4 結論

通過對標準型半潛生活平臺非對稱錨泊系統(tǒng)進行時域分析，得出標準型平臺在不同非對稱系泊狀態(tài)下，各個工況的錨鏈最大張力均能夠滿足設計要求的結論；錨鏈最大張力為4.32×10N。經過上述分析可以發(fā)現，隨著錨鏈布置的非對稱性突出，錨鏈的張力變化較為明顯，特別是錨鏈的較短部分，錨鏈張力明顯增加，而隨著錨鏈增長錨鏈的最大張力增加，由于工作環(huán)境條件較柔和，錨鏈張力變化幅度不是太明顯，變化量約為10%。此外，在不同的非對稱形錨泊系統(tǒng)工況中，平臺的運動變化非常明顯，變化量可達60%～80%，由此可見，非對稱系泊對平臺的運動性能影響非常顯著。希望本研究結果能對標準型半潛生活平臺非對稱系泊系統(tǒng)的設計有一定的指導意義。