近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物張緊式系泊性能分析

尚勇志

（上海雄程海洋工程股份有限公司，上海201306）

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，特別是沿海城市規(guī)模的迅速擴(kuò)張，拓展海上空間逐漸成為現(xiàn)實(shí)需求。同時(shí)，隨著我國(guó)南海開(kāi)發(fā)力度的逐漸增大，對(duì)長(zhǎng)期服役的近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物的研究日益增多。目前業(yè)界對(duì)近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，大家普遍認(rèn)同的是指那些能以沿海島嶼為依托，帶有永久性或半永久性，具有綜合性、多種用途的功能型船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)物。島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：在特定區(qū)域建造生產(chǎn)生活基地，開(kāi)發(fā)海洋資源；彌補(bǔ)沿海城市的不足，作為浮動(dòng)碼頭；對(duì)區(qū)域政治、軍事格局產(chǎn)生戰(zhàn)略性影響。近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物具有適應(yīng)頻發(fā)的臺(tái)風(fēng)等復(fù)雜環(huán)境的特點(diǎn)，是進(jìn)行南海島嶼建設(shè)用到的重要裝備。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在近海島礁海洋結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)定位可行性方面開(kāi)展了大量研究工作，系泊系統(tǒng)的使用需綜合考慮成本和安全要求。近島礁超大型浮式結(jié)構(gòu)物研究主要集中在4個(gè)方面，即：水彈性；復(fù)雜地理環(huán)境對(duì)系泊系統(tǒng)的影響；非均勻入射波的影響；各種類型的系泊系統(tǒng)。FU等基于WU提出的水彈性理論建立了考慮系泊系統(tǒng)和水彈性的耦合效應(yīng)的數(shù)值方法，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。WU等和NI等對(duì)模塊的柔性模型與剛性模型之間的系泊張力進(jìn)行了數(shù)值比較，發(fā)現(xiàn)超大型浮體的彈性變形對(duì)系泊張力的影響在惡劣的海洋環(huán)境條件下可能是顯著的。

中型浮式結(jié)構(gòu)物的主尺度一般接近于傳統(tǒng)的海洋工程支持船，因此可忽略其水彈性變形引起的系泊張力變化，這對(duì)于浮體定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言更為有利，仍可借鑒近島礁大型結(jié)構(gòu)物系泊耦合分析方面的研究成果。中型浮式結(jié)構(gòu)物一般布置在水深極淺的海域，位置靠近島礁，因而附近海底呈斜坡?tīng)?，波浪多從遠(yuǎn)處向島礁方向傳播，針對(duì)這一特殊情形，選用非對(duì)稱張緊式系泊系統(tǒng)。這種錨鏈布置方式能提供相對(duì)較大的艏搖恢復(fù)力矩，在實(shí)際海況中，即使受到一定的環(huán)境力矩，平臺(tái)也不會(huì)產(chǎn)生很大的艏搖角，且其較大的預(yù)張力對(duì)縱搖、橫蕩等水平面運(yùn)動(dòng)具有較好的約束能力，因此對(duì)島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物作業(yè)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。通過(guò)開(kāi)展浮體-系泊耦合時(shí)域模擬，分析平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)、系泊纜張力和錨抓力等定位性能，探究近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物的系泊性能，為系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其安全性能評(píng)估提供參考。

1 系泊鏈集中質(zhì)量模型

集中質(zhì)量法是常用的錨鏈數(shù)值模型之一，能有效考慮錨鏈的非線性。在質(zhì)量集中法中，錨鏈被劃分為多個(gè)分段，每個(gè)分段的質(zhì)量及其所受外力都被集中到分段兩端的節(jié)點(diǎn)上，這樣錨鏈分段就可視為一個(gè)無(wú)質(zhì)量的彈簧。

在采用集中質(zhì)量法分析錨鏈時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力都應(yīng)滿足控制方程

浮體系泊系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的高度耦合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其由浮體平臺(tái)或船舶與系泊纜索錨鏈的相互作用，通過(guò)導(dǎo)纜孔傳遞浮體運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力，反復(fù)迭代計(jì)算得到浮體的六自由度運(yùn)動(dòng)和錨鏈張力。浮體系泊系統(tǒng)耦合計(jì)算是指基于勢(shì)流理論，采用挪威船級(jí)社的強(qiáng)度分析軟件SESAM進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，將所得結(jié)果導(dǎo)入Orcaflex中進(jìn)行時(shí)域耦合模擬分析。

2 中型浮式結(jié)構(gòu)物時(shí)域耦合結(jié)果分析

2.1 浮體系泊系統(tǒng)參數(shù)

近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物的主要參數(shù)見(jiàn)表1，采用張緊式錨鏈布置方式（見(jiàn)圖1）。12根系泊纜沿x軸分布，均為高分子聚乙烯纜，長(zhǎng)度為155 m，剛度為1.38×10kN，水中質(zhì)量為3.079 kg／m，預(yù)張力為50 t。海底呈斜坡?tīng)?，傾斜角度為2°，平臺(tái)中心處水深為50 m，y軸正方向?yàn)樯钏粋?cè)，風(fēng)浪環(huán)境力指向y軸負(fù)方向。

圖1 近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物張緊式系泊系統(tǒng)示意圖

表1 近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物的主要參數(shù)

2.2 風(fēng)浪環(huán)境條件

近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物在工作海況下的平均風(fēng)速為10 m／s。波浪的參數(shù)：有義波高為1 m；譜峰周期為4.32 s；頻譜為Jonswap譜；譜峰升高因子為3.3。

2.3 六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷分析

中型浮式結(jié)構(gòu)物六自由度運(yùn)動(dòng)譜分析結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。從圖2和圖3中可看出：平臺(tái)的縱蕩、橫蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)顯著的低頻特性；平臺(tái)的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯的波頻特性。平臺(tái)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注平臺(tái)的頻域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性，使其運(yùn)動(dòng)的固有頻率避開(kāi)波浪主要頻率范圍，抑制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值。

圖2 中型浮式結(jié)構(gòu)物縱蕩、橫蕩和垂蕩譜分析結(jié)果

圖3 中型浮式結(jié)構(gòu)物橫搖、縱搖和艏搖譜分析結(jié)果

中型浮式結(jié)構(gòu)物六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。平臺(tái)在270°風(fēng)浪環(huán)境下能較好地進(jìn)行定位，由于平臺(tái)采用的是張緊式系泊系統(tǒng)，因此其垂蕩運(yùn)動(dòng)較小，最大垂蕩位移約為0.6 m。平臺(tái)最大橫蕩位移為6.60 m，最大橫搖角度為3.55°，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.19 m和0.92°。由此可知，在給定的環(huán)境條件下，該平臺(tái)采用的系泊系統(tǒng)的定位性能較好，反映了該系泊系統(tǒng)定位作業(yè)的可行性。

表2 中型浮式結(jié)構(gòu)物六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 錨鏈導(dǎo)纜孔處張力時(shí)歷分析

中型浮式結(jié)構(gòu)物錨鏈導(dǎo)纜孔處張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。各錨鏈導(dǎo)纜孔處張力的平均值均在68 t（1t≈9.8 kN）左右，最大張力不超過(guò)170 t，其標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，系泊系統(tǒng)張力值在浮體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化較小。這反映了張緊式系泊系統(tǒng)張力在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有較為穩(wěn)定的特性。同時(shí)，這也是平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)性能較好的主要原因，體現(xiàn)出其在中型浮式結(jié)構(gòu)物系泊定位方面具有較好的適應(yīng)性。

表3 中型浮式結(jié)構(gòu)物錨鏈導(dǎo)纜孔處張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果單位：t（1t≈9.8 kN）

2.5 錨鏈錨點(diǎn)處張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

中型浮式結(jié)構(gòu)物錨鏈錨點(diǎn)處張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。錨鏈各錨點(diǎn)處的抓力與其導(dǎo)纜孔處張力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本相同。這反映了張緊式系泊系統(tǒng)的特性，錨鏈的張力值在載荷傳遞過(guò)程中變化較小。需特別指出的是，在設(shè)計(jì)張緊式系泊系統(tǒng)時(shí)，需選用合適的錨樁，以提供足夠的錨抓力。

表4 錨鏈錨點(diǎn)處張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：t

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)近島礁中型浮式結(jié)構(gòu)物作業(yè)區(qū)域的地質(zhì)、地形特點(diǎn)和環(huán)境條件，采用張緊式系泊形式，基于集中質(zhì)量法對(duì)浮體系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析計(jì)算，探究該系統(tǒng)的系泊性能。研究發(fā)現(xiàn)，在給定的環(huán)境條件下，中型浮式結(jié)構(gòu)物采用的張緊式系泊系統(tǒng)的張力在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)出了較為穩(wěn)定的特性，體現(xiàn)出其在中型浮式結(jié)構(gòu)物系泊定位方面具有較好的適應(yīng)性。采用張緊式系泊系統(tǒng)，錨抓力與導(dǎo)纜孔張力較為接近，導(dǎo)致系泊系統(tǒng)的錨點(diǎn)張力較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)需選用合適的錨樁，以提供足夠的錨抓力。