非對稱半潛式起重平臺系泊系統(tǒng)特性研究

劉傳藝，沈 勇，潘偉宸，嚴(yán)興春，胡志楊，王希坤1,

(1. 中船澄西揚州船舶有限公司，江蘇 揚州 225200；2. 中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400；3. 江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

半潛式平臺擁有優(yōu)良的運動性能，在海上石油勘探、開采方面得到了廣泛的應(yīng)用[1 – 2]，半潛式起重支持平臺在海上石油開發(fā)過程中有著不可替代的作用[3]。

本文研究新型半潛式起重平臺（非對稱）（見圖1），與傳統(tǒng)的半潛平臺結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。結(jié)構(gòu)關(guān)于中縱剖面非對稱，2 臺起重機同時安裝在大浮筒一側(cè)，雙機同時作業(yè)時能有效靈活地調(diào)節(jié)起重平臺與被安裝平臺的距離，顯著提升作業(yè)效率。箱型上層單元主要是居住單元，艙室可容納750 人[4]。平臺總排水量58 206 t，主浮筒長為137.75 m，寬19.5 m，高12 m；副浮筒長為122 m，寬13.5 m，高12 m。與之相對應(yīng)的，主支柱長為22.5 m，寬19.5 m，高18 m；支腿支柱長為16.5 m，寬13.5 m，高18 m。箱型上層船體總長為81 m，寬81 m，高12.8 m。平臺的具體主尺度參數(shù)如表1 所示。

表1 非對稱半潛式起重平臺的主尺度參數(shù)Tab. 1 Main dimension parameters of asymmetric semi-submersible lifting platform

圖1 非對稱半潛式起重平臺Fig. 1 Asymmetric semi-submersible lifting platform

半潛式平臺系泊系統(tǒng)特性研究對于平臺及系泊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化具有重要意義。因為時域迭代的方法計算時間較長，為了做到平衡精度和效率，文獻(xiàn)[5 – 8]提出了一些有效的完全耦合計算方法。為創(chuàng)造更有利于平臺鉆井作業(yè)的外部環(huán)境，袁培銀等[9]提出一種新型多浮體系泊系統(tǒng)，在1 500 m 水深，風(fēng)、浪、流同向作用下，對平臺－連接體－錨鏈－張力筋腱組成的多浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全時域耦合分析，并將新型多浮體系泊系統(tǒng)和傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)論充分體現(xiàn)新型系泊系統(tǒng)設(shè)計的合理性、優(yōu)越性。白雪平[10]以半潛式平臺為研究對象，設(shè)定了相應(yīng)的規(guī)則波，模擬了該平臺在規(guī)則波中的時域運動響應(yīng)。其先根據(jù)錨鏈參數(shù)設(shè)計系泊系統(tǒng)，然后采用8 根和12 根不同的纜繩布置形式，研究其動力響應(yīng)的差異。童波等[11]以工作水深為1 500 m 的半潛式平臺為研究對象，設(shè)定了系泊纜直徑、長度、預(yù)張力角度等相關(guān)變量，從而進(jìn)行平臺系泊系統(tǒng)的動態(tài)特性研究。該研究還以纜繩數(shù)量、纜繩布置角度為變量，進(jìn)行了系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析。系列研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)南挡聪到y(tǒng)設(shè)計，即合適的纜繩數(shù)量、合理的纜繩布置角度，對平臺的運動響應(yīng)特性起到積極影響，能夠提升系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)性能。

影響平臺及系泊性能的因素很多，如系泊纜數(shù)目、系泊纜的松弛度等，本文研究這些參數(shù)對非對稱半潛式起重平臺的運動響應(yīng)和纜繩張力的影響規(guī)律。

1 系泊系統(tǒng)布置

考慮作業(yè)水深為200 m，選取懸鏈線式系泊方式。系泊纜經(jīng)常采用放射型均勻布置，朝向各個方向，這樣可以提供給平臺任意角度的回復(fù)力，保證平臺平穩(wěn)正常作業(yè)。在系泊系統(tǒng)的布置上使用8 根或12 根鋼纜材質(zhì)的系泊纜繩，選擇傾斜波浪方向中預(yù)計的較大環(huán)境負(fù)荷的系泊纜繩布局方案，如圖2 和圖3 所示。平臺坐標(biāo)系為o-xyz，原點位于平臺方向。圍繞平臺均勻間隔對稱布置，8 根系泊纜分為4 組，每組由2 根構(gòu)成，每組內(nèi)系泊纜夾角為45°；12 根系泊纜分為4 組，每組由3 根構(gòu)成，每組內(nèi)相鄰系泊纜夾角為30°。

圖2 8 根纜繩布置圖（俯視圖）Fig. 2 Layout of 8 cables (top view)

圖3 12 根纜繩布置圖（俯視圖）Fig. 3 Layout of 12 cables (top view)

非對稱半潛式起重平臺進(jìn)行時域仿真模擬的系泊纜參數(shù)如表2 所示。系泊纜直徑76 mm，長度為1500 m，空氣中系泊纜單位質(zhì)量為24.7 kg/m，等效截面面積0.023 m2，軸向剛度7.0×109N，破斷力為4.159×107N。

表2 非對稱半潛式起重平臺系泊纜屬性Tab. 2 Properties of mooring lines for asymmetric semi-submersible crane platforms

2 不同數(shù)量系泊纜系泊系統(tǒng)運動響應(yīng)和張力分析

環(huán)境載荷方向選取90°、135°、180°典型角度，此角度定義為風(fēng)浪流的來向與船首（即平臺坐標(biāo)系x正向）所成角度，浪向角示意圖如圖4 所示。本文數(shù)值模擬采用不規(guī)則波Jonswap 波譜，其表達(dá)式如式（1）所示。選擇北海海域的作業(yè)工況，有義波高為6 m，譜峰周期為7.78 s，γ取3.3。取定常海風(fēng)與海流，速度分別為20 m/s 和1.03 m/s。計算海域深度為200 m，模擬時間為10 800 s（即3 h）。環(huán)境參數(shù)均由設(shè)計方給定，相關(guān)環(huán)境參數(shù)的設(shè)定具體見表3。

表3 海況環(huán)境參數(shù)Tab. 3 Sea condition environmental parameters

圖4 非對稱半潛式起重平臺波浪入射角示意圖Fig. 4 Schematic diagram of wave incident angle of asymmetric semi-submersible lifting platform

式中：A=1?0.287ln(γ) ，為無因次參數(shù)；γ為譜峰升高因子；σ為譜型參數(shù)，當(dāng)波浪頻率ω>ωP時，σ=0.09；反之，σ=0.07。

圖5~圖7 分別為作業(yè)海況90°、135°、180°的8 根與12 根系泊纜運動響應(yīng)歷時曲線及最大張力歷時曲線。為了直觀，選取前4 000 s 的歷時曲線圖。

圖5 90°海況下橫蕩運動響應(yīng)及最大系泊纜張力歷時曲線Fig. 5 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 90° sea state

1）作業(yè)海況90°

圖5（a）和圖5（b）分別為8 根和12 根系泊纜在風(fēng)浪流入射角為90°時的橫蕩響應(yīng)時域曲線。8 根系泊橫蕩最大響應(yīng)值為8.10 m，12 根系泊橫蕩最大響應(yīng)值為6.96 m，最大水平偏移量分別為水深的4.05%和3.48%，均符合規(guī)范要求的小于水深10%。圖5（c）和圖5（d）分別為8 根和12 根系泊纜對應(yīng)的最大系泊張力歷時曲線。8 根系泊纜方案張力最大的是7#纜繩，最大張力值為4.04×106N，12 根系泊纜方案張力最大的是10#纜繩，最大值為3.83×106N，二者較系泊纜的斷裂剛度4.159×107N 低一個數(shù)量級。可以看出，12 根系泊纜對應(yīng)的平臺最大水平偏移量和纜繩最大張力值皆低于8 根系泊纜。

2）作業(yè)海況135°

圖6（a）和圖6（b）分別為8 根和12 根系泊纜在135°海況下的縱蕩響應(yīng)時域曲線。8 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為8.97 m，12 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為6.23 m，最大水平偏移量分別為水深的4.49%和3.12%，和90°海況的結(jié)果接近，滿足規(guī)范要求。圖6（c）和圖6（d）分別為8 根和12 根系泊纜的系泊張力歷時曲線。8 根系泊方案張力最大的是8#纜繩，最大張力值為7.59×106N，12 根系泊方案張力最大的是11#纜繩，最大值為7.11×106N。該海況下的最大張力與90°海況相比增加約1 倍，但依舊遠(yuǎn)低于系泊纜的斷裂剛度4.159×107N。與90°海況得到的結(jié)論一致，隨著纜繩數(shù)目的增加，非對稱半潛式起重平臺縱蕩最大值和系泊最大張力值皆有所減少，但該海況的危險度高于90°海況。

圖6 135°海況下縱蕩運動響應(yīng)及最大系泊纜張力歷時曲線Fig. 6 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 135° sea state

3）作業(yè)海況180°

從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，在180°海況下，8 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為12.36m，12 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為10.31m，最大水平偏移量分別為6.18%和5.15%，大于90°和135°海況的結(jié)果，但依然小于規(guī)范要求的10%。圖7（c）和圖7（d）分別為8 根和12 根系泊纜在風(fēng)浪流180°下的系泊張力歷時曲線。8 根系泊方案張力最大的是8#纜繩，最大值為7.31×106N，12 根系泊纜方案張力最大的是12#纜繩，最大值為6.60×106N，略低于135°海況的結(jié)果。

圖7 180°海況下縱蕩運動響應(yīng)及最大系泊纜張力歷時曲線Fig. 7 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 180° sea state

參考API 規(guī)范[12]和ABS 規(guī)范[13]中的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對該平臺的系泊系統(tǒng)進(jìn)行安全校核，規(guī)范中要求系泊纜的最大拉伸強度的安全因子為1.67。8 根和12 根系泊纜的平臺及系泊系統(tǒng)在作業(yè)海況下的運動特性及張力量值統(tǒng)計情況分別如表4 和表5 所示。

表4 8 根系泊纜計算統(tǒng)計結(jié)果Tab. 4 Calculation and statistical results of 8 mooring lines

表5 12 根系泊纜計算統(tǒng)計結(jié)果Tab. 5 Calculation and statistical results of 12 mooring lines

通過對比可以看出，纜繩的數(shù)量對平臺運動和系泊纜動力響應(yīng)的影響比較明顯，隨著纜繩數(shù)目的增加，平臺偏移量和系泊纜張力響應(yīng)幅值均有所降低，系泊性能越來越優(yōu)良。對比8 根系泊纜方案和12 根系泊纜方案，前者對應(yīng)的系泊線張力最大值為7.59×106N，安全系數(shù)為5.47；后者的張力最大值為7.11×106N,安全系數(shù)為5.84，系泊纜安全系數(shù)都大于規(guī)范要求的1.67。8 根系泊纜方案的最大水平偏移為12.36 m，為水深的6.18%；12 根系泊纜方案的最大水平偏移為10.31 m，為水深的5.15%，其最大位移都符合規(guī)范要求的小于10%水深。綜上，系泊性能均滿足要求，從經(jīng)濟性方面考慮，8 根纜系泊方式的經(jīng)濟性更好，系泊纜的布置也更方便。

3 懸鏈松弛度

研究8 根系泊纜方案下懸鏈松弛度對平臺運動響應(yīng)及系泊纜張力的影響規(guī)律。懸鏈松弛度是指在導(dǎo)纜孔及錨點坐標(biāo)不變的情況下，面對相同水深，采用不同長度的系泊纜（L1～L5）。從圖8 可以看到，懸鏈松弛度的變化可更加直觀的從系泊纜與水面處交點處的切線與X軸的夾角（θ）的變化看出，也可從臥鏈長度(l1～l5)的變化來做出對比[14]。

圖8 不同松弛度懸鏈?zhǔn)疽鈭DFig. 8 Schematic diagram of catenary with different degrees of relaxation

隨著懸鏈松弛度的增大，懸鏈與海底的夾角逐漸減小，錨鏈與海底接觸的長度逐漸增大。為了得到懸鏈線松弛度對其他參數(shù)結(jié)果的影響規(guī)律，選取5 種不同松弛度的系泊纜，L1～L5 代表系泊纜的長度，h代表水深。根據(jù)系泊纜初始設(shè)定長度1 500 m，初始懸鏈線的松弛度為7.5，懸鏈線的松弛度（L/h）分別取7.0、7.25、7.5、7.75 和8.0。由于只是研究懸鏈線松弛度大小對非對稱半潛式起重平臺運動及系泊纜的受力影響規(guī)律，因此僅考慮最危險的海況，即135°海況。

對系泊纜不同松弛度的計算結(jié)果進(jìn)行分析，分別選取不同懸鏈線松弛度對應(yīng)平臺運動的最大水平位移和對應(yīng)系泊纜受力的最大值及平均值，然后使用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件Origin 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得規(guī)律曲線圖，分別如圖9 和圖10 所示。系泊纜張力統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 不同松弛度下的最大張力統(tǒng)計結(jié)果Tab. 6 Statistical results of maximum tension under different relaxation degrees

圖9 不同松弛度下的平臺位移Fig. 9 Platform displacement under different slack

圖10 不同松弛度下的系泊纜張力Fig. 10 Mooring line tension under different slack

結(jié)合圖9～圖10 以及表6 可以發(fā)現(xiàn)：隨著懸鏈線松弛度的增大，對應(yīng)的平臺位移的最大值和平均值呈現(xiàn)波動變化。根據(jù)圖9 可以看出，松弛度為7.25 時，平臺水平位移最大，達(dá)131.51 m，可能是因為平臺受系泊纜約束不夠，在某一時刻發(fā)生很大偏移。根據(jù)海上平臺作業(yè)規(guī)范，平臺最大水平位移應(yīng)小于水深的10%。本文所研究的目標(biāo)是非對稱半潛式起重平臺，作業(yè)水深為 200 m，水平位移應(yīng)小于20 m。從圖9 可以看出，松弛度為7.0、7.25、7.75 和8.0 的最大水平位移均大于20 m；當(dāng)松弛度為7.5 時，最大水平位移為8.97 m，符合作業(yè)要求。綜上，只有懸鏈松弛度為7.5 的系泊纜符合平臺運動性能要求。

隨著懸鏈線松弛度的增大，其對應(yīng)的平臺系泊纜張力的最大值和平均值逐漸減小。由表6 可以看出，5 種松弛度下受力最大系泊纜為7#和8#纜繩，這可能是因為這2 根纜繩位于135°浪向方向附近，同方向的風(fēng)浪流載荷最大，受到的系泊張力也最大。松弛度為7.0 時7#纜繩的張力最大，安全系數(shù)最小，系泊纜最大值為1.69×107N，安全系數(shù)為2.47，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的最低1.67。所以綜合考慮運動性能和安全性，懸鏈松弛度為7.5 的系泊纜方案最優(yōu)。

4 結(jié) 語

本文研究非對稱半潛式起重平臺系泊系統(tǒng)的特性，對可能的參數(shù)展開計算分析，主要研究參數(shù)為系泊纜數(shù)目、系泊纜懸鏈松弛度和海況條件。系泊系統(tǒng)為懸鏈?zhǔn)椒派湫途鶆虿季?，作業(yè)條件為北海典型海域海況。在系泊纜數(shù)目參數(shù)中，分別對8 根和12 根系泊纜方案進(jìn)行研究，比較2 種方案在3 種不同風(fēng)浪流角度（90°、135°和180°）下的平臺運動和系泊纜張力情況，發(fā)現(xiàn)在同時滿足規(guī)范要求的情況下，8 根系泊纜的經(jīng)濟性更好。針對8 根系泊纜方案最危險的海況（135°海況），研究5 種不同的系泊纜懸鏈松弛度的影響，對比發(fā)現(xiàn)懸鏈松弛度為7.5 的系泊纜運動性能和安全性最好。