極地系泊鉆井平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘" 要： 極地油氣資源鉆探要求系泊鉆井平臺(tái)具有較好的定位性能，目前許多極地作業(yè)的鉆井平臺(tái)是敞水平臺(tái)經(jīng)抗冰改造而來(lái)的.為了研究極地有冰和無(wú)冰兩種環(huán)境下不同海況對(duì)系泊鉆井平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響，基于環(huán)向裂紋法對(duì)海冰與系泊平臺(tái)的相互作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合系泊分析軟件ANSYS AQWA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)不同環(huán)境載荷下鉆井平臺(tái)和系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析，分別得到極地有冰和無(wú)冰環(huán)境下系泊鉆井平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)兩種環(huán)境下的響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比研究.為保障經(jīng)抗冰改造后的鉆井平臺(tái)在極地環(huán)境下的系泊安全性，以極地極端海況為場(chǎng)景設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到系泊參數(shù)對(duì)平臺(tái)響應(yīng)的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：合理選擇系泊纜數(shù)量、錨鏈夾角和預(yù)張力可減小平臺(tái)漂移量、增大安全系數(shù)；提出了滿(mǎn)足規(guī)范要求的極地有冰環(huán)境下系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可為實(shí)際工程提供參考.

關(guān)鍵詞： 鉆井平臺(tái)；冰載荷；系泊參數(shù)；正交試驗(yàn)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.38+1""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號(hào)：1673-4807（2024）05-001-08

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.001

收稿日期： 2023-03-14""" 修回日期： 2021-04-29

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52171259）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（52201323）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFE0107000）；工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部重裝函［2021］342號(hào)）

作者簡(jiǎn)介： 丁一（1998—），男，碩士研究生

*通信作者： 劉仁偉（1992—），男，博士，講師，研究方向?yàn)闃O地船舶與海洋工程研發(fā)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用.E-mail： rwliu2000@163.com

引文格式： 丁一，周利，丁仕風(fēng)，等.極地系泊鉆井平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），202 38（5）：1-8.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.001.

Dynamic response analysis and optimization designof polar moored drilling platforms

DING Yi1， ZHOU Li2， DING Shifeng2， LIU Renwei1*， CHEN Jiaming1， SUN Qianyang1

（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.School of Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：Drilling for oil and gas resources in the polar region requires mooring platforms to have good positioning performance. A large proportion of platforms currently operating in polar regions are open horizontal platforms modified to resist ice. In this work， the interaction process between sea ice and a mooring platform is simulated numerically based on circumferential crack method and the influence of different environmental loads in polar regions on the dynamic response of mooring drilling platforms are investigated. With the redevelopment of the mooring analysis software ANSYS AQWA， the time domain analysis of the drilling platform and the environmental loads are performed， and the dynamic response of the mooring platform in different environments is analyzed respectively. To study the performance of the mooring drilling platform working in the ice-free environment with ice-resistance improvement， an orthogonal experiment is designed with polar extreme sea conditions to investigate the influence of mooring system parameters on the platform response. The research results indicate that reasonable selection of the number of mooring cables， the angle of the cable and the pretension can effectively reduce platform drift and increase safety factor. Finally， a mooring system design strategy is proposed to meet the requirements of rules in polar environment. This strategy can provide a certain reference in the subsequent practical engineering.

Key words：drilling platform， ice load， mooring parameter， orthogonal experiment， numerical simulation

北極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源［1］，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家、學(xué)者針對(duì)極地油氣資源開(kāi)發(fā)所涉及的極地鉆井裝備研發(fā)、極地海洋平臺(tái)冰載荷預(yù)報(bào)及平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了深入的研究.

在極地鉆井裝備方面，荷蘭Huisman公司創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了雙作業(yè)模式的JBF Arctic鉆井平臺(tái)，其能夠在兩種吃水深度下作業(yè).平臺(tái)采用20點(diǎn)錨泊定位，作業(yè)水深60～1 500 m.Huisman公司還研發(fā)了三作業(yè)模式的Arctic S鉆井平臺(tái)，與JBF Arctic相比，Arctic S總體尺寸略小，作業(yè)水深30～1 000 m，采用16點(diǎn)錨泊定位［2］.在冰載荷研究方面，文獻(xiàn)［3］提出了一些半經(jīng)驗(yàn)半解析的預(yù)報(bào)模型，為早期的破冰船設(shè)計(jì)提供了有效的方法.文獻(xiàn)［4］采用基于離散元方法模擬了餅狀碎冰與系泊油輪的相互作用，在冰載荷基礎(chǔ)上將流速的影響納入考慮.文獻(xiàn)［5］給出了一種二維水平面上的冰載荷數(shù)值模擬方法，研究了極地液貨船與平整冰之間的相互作用，其后，文獻(xiàn)［6］又在此基礎(chǔ)上研究了冰厚、冰速及錨泊位置對(duì)系泊船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響.文獻(xiàn)［7］運(yùn)用三維離散單元法模擬了浮冰與船體之間的相互作用，研發(fā)了冰載荷預(yù)報(bào)軟件Sdem.文獻(xiàn)［8］使用Star-CCM+模擬了船尾破冰時(shí)碎冰與螺旋槳的相互作用，認(rèn)為CFD-DEM耦合方法是解決船-水-碎冰相互接觸問(wèn)題的有效手段.文獻(xiàn)［9］提出了一種類(lèi)似于有限元思想的船-冰相互作用模型，用以求解船舶動(dòng)態(tài)冰阻力，該模型將平整冰劃分為若干的冰網(wǎng)格并為其確定了切合實(shí)際的失效模式.文獻(xiàn)［10］以Kulluk號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)系泊鉆井船與平整冰相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬.在冰區(qū)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)［11］利用三維水動(dòng)力軟件對(duì)系泊狀態(tài)JBF抗冰平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)了抗冰平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念.文獻(xiàn)［12］使用OrcaFlex模擬了碎冰條件下系泊船舶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到系泊船舶隨系泊點(diǎn)位置變化的響應(yīng)特征.文獻(xiàn)［13］采用時(shí)域耦合分析法，預(yù)報(bào)了冰區(qū)核電平臺(tái)的系泊張力，提出一種性能優(yōu)良的核電平臺(tái)系泊設(shè)計(jì)方案.

目前許多適用于極地冰區(qū)的鉆井平臺(tái)是由無(wú)冰環(huán)境鉆井平臺(tái)改造而來(lái)，很可能導(dǎo)致平臺(tái)在極地冰區(qū)環(huán)境下發(fā)生滑移、傾斜、共振甚至破壞.文獻(xiàn)［14］研究發(fā)現(xiàn)，很多國(guó)家發(fā)生海工建筑被摧毀的工程事故，其主要原因是對(duì)冰災(zāi)的估計(jì)不足.因此，針對(duì)經(jīng)改造的鉆井平臺(tái)進(jìn)行抗冰性能分析，校核平臺(tái)及系泊系統(tǒng)在冰載荷作用下的定位性能是現(xiàn)階段極地鉆探裝備設(shè)計(jì)的重點(diǎn).

文中考慮風(fēng)、浪、流及平整冰的聯(lián)合作用，基于環(huán)向裂紋法得到精度較高的冰載荷數(shù)據(jù)，利用有限元軟件對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比其在極地區(qū)域無(wú)冰和有冰兩種環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊張力，同時(shí)根據(jù)正交試驗(yàn)的原理，研究了不同系泊參數(shù)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊張力的影響，提出滿(mǎn)足規(guī)范要求的系泊方案.

1" 基本原理

1.1" 系泊平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程

在推導(dǎo)浮動(dòng)剛體運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，采用了兩個(gè)坐標(biāo)系.o^x^y^z^坐標(biāo)系是全局固定坐標(biāo)系，而oxyz是隨剛體運(yùn)動(dòng)的隨體坐標(biāo)系，如圖1.因此平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)為：

［M+A］r¨（t）+Br·（t）+Cr（t）=F（t）（1）

式中：M為質(zhì)量矩陣；A為附加質(zhì)量矩陣；B為阻尼矩陣；C為回復(fù)剛度矩陣；F（t）為對(duì)應(yīng)隨船坐標(biāo)系的外力和外力矩，主要包括風(fēng)力、流力、波浪激勵(lì)力、冰力和系泊力.

1.2" 載荷數(shù)值模型

在不考慮空氣的垂向運(yùn)動(dòng)且假定風(fēng)為定常風(fēng)的基礎(chǔ)上，海洋結(jié)構(gòu)物受風(fēng)載荷的表達(dá)式為：

F=12Cdvρa(bǔ)AU2h（2）

M=12Cdvρa(bǔ)AU2hL（3）

式中：Cdv為風(fēng)阻系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度；A為受風(fēng)面積；Uh為海平面h米高處的風(fēng)速；L為結(jié)構(gòu)物重心到風(fēng)力中心距離，文中風(fēng)速取距海平面以上10 m處的一小時(shí)平均風(fēng)速.

對(duì)于鉆井平臺(tái)，波浪譜通常采用JONSWAP譜，其表達(dá)式為：

S（ω）=αg2ω－5exp－54ωωp－4+e（ω－ωp）22（σωp）2ln（γ）（4）

式中：α為廣義Phillips常數(shù)；g為重力加速度；ω為角頻率；ωp為譜峰角頻率；σ為譜型參數(shù)；γ為譜峰升高因子.文中流體載荷采用剖面流形式加載，利用插值法定義剖面流速和方向.

系泊結(jié)構(gòu)物與平整冰在水線(xiàn)面處發(fā)生局部碰撞，隨著平整冰的前進(jìn)，冰層受到結(jié)構(gòu)物的碾壓作用且碾壓面積不斷增大，直至冰層發(fā)生局部斷裂.通過(guò)搜索結(jié)構(gòu)物與冰接觸區(qū)域，計(jì)算相互作用的接觸面積Acr，結(jié)合平整冰的彎曲斷裂數(shù)值模型確定接觸區(qū)域的擠壓力Fcr：

Fcr=pave·Acr（5）

Acr=12LhLccos φ""""""" 三角形接觸面

12Lh+LhLc－h(huán)i/tan φLchisin φ梯形接觸面（6）

式中：pave為接觸面平均冰壓力；Lh為接觸面寬度；Lc為接觸面穿透距離；hi為冰厚；φ為艏傾角.

浸沒(méi)阻力分量根據(jù)改進(jìn)的Lindqvist碎冰阻力公式計(jì)算［15］.文獻(xiàn)［10］使用該方法得到了與實(shí)船實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合的數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性.

1.3" 正交試驗(yàn)法

正交試驗(yàn)利用正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和分析試驗(yàn)結(jié)果，以L(fǎng)9（34）正交試驗(yàn)為例，使用正交表安排試驗(yàn)，只需做9次試驗(yàn)便可在有效性上代表27次試驗(yàn)，工作量減少了2/3.

正交試驗(yàn)法不僅能夠解決多因素選優(yōu)問(wèn)題，還可用來(lái)分析各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大?。?6］.將i因素j水平對(duì)應(yīng)的所有指標(biāo)相加，得到試驗(yàn)指標(biāo)為：

Kij=∑ym（5）

根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)K確定不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序.

2" 基本參數(shù)

2.1" 系泊平臺(tái)參數(shù)

采用的鉆井平臺(tái)為雙浮箱、八立柱的半潛平臺(tái).平臺(tái)的上部簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，下部建模如圖2.平臺(tái)的總長(zhǎng)122.17 m，型寬70.42 m，單浮箱長(zhǎng)122.17 m，寬16.77 m，高8.54 m，排水量4.18×107 t，工作水深1 000 m.平臺(tái)初始采用12點(diǎn)系泊，4×3對(duì)稱(chēng)布置，3根錨鏈為一組，組內(nèi)兩相鄰錨鏈間夾角為5°，組與組間夾角為80°，上部與平臺(tái)導(dǎo)纜孔相連，系泊半徑為1 850 m.系泊纜繩選用三段組合式，頂端和底端為R4s鋼鏈，中間過(guò)渡段為聚酯纖維纜.系泊系統(tǒng)布置如圖 系泊纜各段的材料屬性如表1.

2.2" 環(huán)境參數(shù)

根據(jù)極地某海域海況統(tǒng)計(jì)情況，選取四級(jí)海況、一年一遇和百年一遇海況進(jìn)行模擬，具體參數(shù)如表2.一般情況下，當(dāng)風(fēng)、浪、流載荷同向時(shí)，平臺(tái)的響應(yīng)和纜繩張力最大，因而在數(shù)值模擬中取風(fēng)和流載荷與波浪同向.由于文中選用4×3對(duì)稱(chēng)分布的系泊系統(tǒng)，故浪向角選取0°和45°兩個(gè)典型方向，如圖3.

為便于理論分析，數(shù)值計(jì)算需作假設(shè)：

（1） 海底與錨點(diǎn)、導(dǎo)纜孔與錨點(diǎn)均為剛性連接，不考慮海底走錨和導(dǎo)纜孔應(yīng)變；

（2） 風(fēng)、浪、流載荷具有同向性，即保持0°或45°不變；

（3） 冰與平臺(tái)的相互作用發(fā)生在水線(xiàn)面附近.

3" 冰載荷計(jì)算

基于文獻(xiàn)［10］的數(shù)值方法，對(duì)平整冰開(kāi)始接觸平臺(tái)到完全穿過(guò)平臺(tái)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的全過(guò)程進(jìn)行模擬.相關(guān)海冰特性參考ISO 19906（2010）和PC冰級(jí)規(guī)則設(shè)置，具體參數(shù)如表3.

數(shù)值模擬中冰厚0.6 m、冰速0.5 m/s，模擬時(shí)間1 800 s，時(shí)間步長(zhǎng)0.2 s，得到的隨船坐標(biāo)下的縱向冰載荷、橫向冰載荷和首搖冰載荷時(shí)間歷程如圖4.由圖可知，冰載荷具有高峰值、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn).由圖4（a）可以看出，平臺(tái)所受縱向冰載荷最大值可達(dá)3 376 kN；平臺(tái)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后，縱向冰載荷最小值約為1 740 kN，這主要是由水面層冰和水下碎冰產(chǎn)生的［17］.由圖4（b）可以看出，平臺(tái)所受橫向冰載荷最大值約2 860 N；達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后的橫向冰載荷均值為607.4 N.由圖4（c）可以看出，平臺(tái)所受首搖冰載荷最大值約為23 000 N·m；達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后的首搖冰載荷均值為5 047 N·m.

4" 模擬結(jié)果與分析

4.1" 無(wú)冰環(huán)境模擬結(jié)果

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮錨鏈的強(qiáng)度和平臺(tái)的偏移量［18-19］.API RP 2SK和API RP 2SM規(guī)定鉆井平臺(tái)正常作業(yè)的水平最大漂移為水深的5%，錨鏈最大張力為破斷強(qiáng)度的60%，即安全系數(shù)不低于1.67；極限情況平臺(tái)自存水平最大漂移不超過(guò)水深的10%，錨鏈最大張力不超過(guò)破斷強(qiáng)度的80%，即安全系數(shù)不低于1.25.

采用ANSYS AQWA軟件對(duì)系泊鉆井平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，選取四級(jí)、一年一遇和百年一遇海況參數(shù)，采用DRIFT模塊進(jìn)行時(shí)域分析，計(jì)算各海況下鉆井平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)，得到平臺(tái)水平漂移和承受最大載荷的錨鏈頂端張力時(shí)間歷程，如圖5、6.由于浪向角等于0°為平臺(tái)兩浮筒的迎浪方向，浮筒與波浪載荷的接觸面積最小，故為0°時(shí)平臺(tái)的水平漂移和張力均略大于45°.

由圖5、6可看出，平臺(tái)的水平漂移和錨鏈張力在前200 s會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，這是由于錨鏈初始的恢復(fù)力較小，突然施加的環(huán)境載荷會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊.因此，統(tǒng)計(jì)平臺(tái)穩(wěn)定后的動(dòng)力響應(yīng)情況是有必要的.

表4統(tǒng)計(jì)了整個(gè)時(shí)間歷程內(nèi)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊張力.四級(jí)海況下平臺(tái)最大漂移約為水深的2%，纜繩的安全系數(shù)為5.8 滿(mǎn)足API規(guī)范對(duì)平臺(tái)正常作業(yè)要求.一年一遇海況下，平臺(tái)漂移量達(dá)到了6.37%，超過(guò)了API規(guī)定的正常作業(yè)最大漂移，纜繩的安全系數(shù)為3.7 滿(mǎn)足API規(guī)定的正常作業(yè)的要求，這種工況可通過(guò)系泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使平臺(tái)漂移量也滿(mǎn)足規(guī)范要求.百年一遇海況下，平臺(tái)的漂移量達(dá)到了13.69%，纜繩的安全系數(shù)低于1.2 漂移量和最大張力均已超過(guò)API規(guī)定平臺(tái)自存的極限狀態(tài).

表5統(tǒng)計(jì)了平臺(tái)穩(wěn)定后的動(dòng)力響應(yīng)情況.與全時(shí)間歷程相比，一年一遇0°浪向海況下平臺(tái)漂移量滿(mǎn)足了API規(guī)定正常作業(yè)要求；百年一遇0°浪向海況下纜繩安全系數(shù)從能夠自存變?yōu)闈M(mǎn)足正常作業(yè)要求，可見(jiàn)突然施加的載荷對(duì)平臺(tái)影響不可忽視.雖然該工況下安全系數(shù)已滿(mǎn)足正常作業(yè)要求，但平臺(tái)漂移量依舊超出正常作業(yè)的要求，為使平臺(tái)能在該海況下正常作業(yè)，需對(duì)平臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

4.2" 有冰無(wú)冰環(huán)境模擬結(jié)果對(duì)比

為對(duì)比鉆井平臺(tái)在極地?zé)o冰和有平整冰海域中動(dòng)力響應(yīng)，以極地某海域?yàn)檠芯繉?duì)象，借助系泊分析軟件AQWA的二次開(kāi)發(fā)接口，調(diào)用冰載荷時(shí)域結(jié)果，計(jì)算平臺(tái)在風(fēng)、浪、流和海冰共同作用下的動(dòng)力響應(yīng)，相關(guān)載荷參考ISO 19906（2010）規(guī)范，如表6.假設(shè)風(fēng)、浪、流、冰載荷方向均為0°進(jìn)行模擬，模擬總時(shí)長(zhǎng)1 800 s，時(shí)間步長(zhǎng)0.2 s，得到各海況下平臺(tái)水平漂移和錨鏈張力時(shí)域結(jié)果，與無(wú)冰載荷作用的結(jié)果對(duì)比，如圖7、8.

由圖7可以看出，海況相對(duì)平穩(wěn)時(shí)冰載荷對(duì)平臺(tái)漂移量影響較大，隨著海況等級(jí)增加，冰載荷對(duì)平臺(tái)漂移量的影響逐漸變小.四級(jí)海況下，有冰環(huán)境平臺(tái)最大漂移約為80 m，約為無(wú)冰環(huán)境的4倍；穩(wěn)定后的漂移接近60 m，約為無(wú)冰環(huán)境的5倍.一年一遇海況下，有冰環(huán)境平臺(tái)漂移量約為無(wú)冰環(huán)境的2倍；百年一遇海況下，有冰環(huán)境平臺(tái)漂移量?jī)H比無(wú)冰環(huán)境大5～10 m.由圖8可以看出，冰載荷對(duì)錨鏈張力的影響小于其對(duì)漂移量的影響.在平臺(tái)穩(wěn)定后，不論海況等級(jí)高低，有冰環(huán)境錨鏈張力均比無(wú)冰環(huán)境高300～400 kN.

對(duì)比各海況下平臺(tái)漂移和錨鏈張力情況，不難發(fā)現(xiàn)：平臺(tái)的漂移量總是優(yōu)先于纜繩安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范值.在四級(jí)海況和平整冰聯(lián)合作用下，平臺(tái)最大漂移已經(jīng)超出API規(guī)定的平臺(tái)正常作業(yè)允許的漂移量，而該海況下錨鏈的安全系數(shù)約為3.68；在一年一遇海況和平整冰聯(lián)合作用下，平臺(tái)最大漂移已經(jīng)達(dá)到96.20 m，接近API規(guī)定的平臺(tái)自存的最大漂移，但此時(shí)錨鏈的安全系數(shù)為2.9 依舊有很大的富余.由初始系泊系統(tǒng)為12根錨鏈、5°的組內(nèi)夾角、設(shè)計(jì)預(yù)張力約1 260 kN推斷，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的可能原因是錨鏈的預(yù)張力過(guò)小.

5" 系泊參數(shù)影響分析

影響系泊平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的主要因素有系泊纜的數(shù)目、組內(nèi)相鄰錨鏈間夾角和系泊纜的預(yù)張力.工程上常選用8～16根系泊纜，4°～15°的錨鏈夾角進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)，文中初始選擇12根系泊纜、5°夾角較為合理，因此首先需要確定該系泊系統(tǒng)的預(yù)張力的合理范圍.影響預(yù)張力的主要因素有錨點(diǎn)位置（系泊半徑、張力傾角等）和錨鏈長(zhǎng)度.在工程應(yīng)用中，拋錨位置一旦確定就很難進(jìn)行調(diào)整，因此最容易也最符合實(shí)際的方法是調(diào)整錨鏈的長(zhǎng)度［20］.通過(guò)在數(shù)值模擬中逐漸縮短錨鏈長(zhǎng)度增大預(yù)張力，根據(jù)中間段聚酯纖維纜的松弛和繃緊狀態(tài)，初步選定預(yù)張力范圍為2 000～3 000 kN，對(duì)應(yīng)錨鏈總長(zhǎng)為2 060～2 076 m.

文中采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)，考察因素A（系泊纜的數(shù)目）、因素B（組內(nèi)相鄰錨鏈間夾角）、因素C（系泊纜預(yù)張力）對(duì)系泊結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力的影響規(guī)律.采用L9（34）正交試驗(yàn)，對(duì)各因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)都取3個(gè)水平，即A因素：A1=8根，A2=12根，A3=16根；B因素：B1=5°，B2=10°，B3=15°；C因素：C1=2 000 kN，C2=2 500 kN，C3=3 000 kN.根據(jù)正交試驗(yàn)原理制定因子安排表如表7.

根據(jù)因子安排表進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如表8.此處定義漂移量指標(biāo)為API規(guī)定的平臺(tái)自存的漂移量與實(shí)際漂移量之比.

選用漂移量指標(biāo)和安全系數(shù)計(jì)算試驗(yàn)指標(biāo)K值，以各因素水平為橫坐標(biāo)，試驗(yàn)指標(biāo)K值為縱坐標(biāo)，繪制試驗(yàn)指標(biāo)隨因素水平變化的趨勢(shì)，如圖9.K值為正交試驗(yàn)中某一因子的漂移量指標(biāo)或安全系數(shù)之和，K值越大表明平臺(tái)的水平漂移越小或纜繩張力越小，即平臺(tái)越安全.

從圖9（a）可以看出，當(dāng)系泊纜從8根增加到12根時(shí)，漂移量試驗(yàn)指標(biāo)從3.91增加到4.9 增加幅度較大，纜繩安全系數(shù)無(wú)明顯變化；當(dāng)系泊纜從12根增加到16根時(shí)，漂移量試驗(yàn)指標(biāo)和纜繩安全系數(shù)均小幅增加.考慮到增加系泊纜數(shù)量會(huì)增加人力、物力、財(cái)力的投入，當(dāng)纜繩張力在規(guī)范值以?xún)?nèi)而平臺(tái)漂移過(guò)大時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用12根錨鏈并采用其他方式減小平臺(tái)漂移；若纜繩張力和平臺(tái)漂移均超出規(guī)范值，再考慮選用16根錨鏈.

從圖9（b）可以看出，隨著系泊纜組內(nèi)夾角的增大，漂移量試驗(yàn)指標(biāo)和纜繩張力試驗(yàn)指標(biāo)呈非單調(diào)變化.當(dāng)系泊纜組內(nèi)夾角從5°增大到10°時(shí)，漂移量試驗(yàn)指標(biāo)和纜繩張力試驗(yàn)指標(biāo)均小幅降低；而當(dāng)系泊纜組內(nèi)夾角從10°增大到15°時(shí)，兩指標(biāo)明顯升高.因此，對(duì)于本鉆井平臺(tái)而言，系泊系統(tǒng)優(yōu)先考慮15°布錨.

從圖9（c）可以看出，增大纜繩的預(yù)張力會(huì)導(dǎo)致漂移量試驗(yàn)指標(biāo)增大而纜繩張力試驗(yàn)指標(biāo)減小.當(dāng)預(yù)張力從2 000 kN增加到2 500 kN時(shí)，漂移量試驗(yàn)指標(biāo)大幅增加，纜繩張力試驗(yàn)指標(biāo)略有減小，這意味著平臺(tái)的水平漂移大幅降低，纜繩張力稍有增大.當(dāng)預(yù)張力從2 500 kN增加到3 000 kN時(shí)，漂移量指標(biāo)增長(zhǎng)趨勢(shì)變小，纜繩張力試驗(yàn)指標(biāo)的降低趨勢(shì)變大，即以犧牲纜繩張力試驗(yàn)指標(biāo)換取平臺(tái)漂移試驗(yàn)指標(biāo)的效果變差.預(yù)張力3 000 kN對(duì)應(yīng)的錨鏈總長(zhǎng)為2 060 m，而當(dāng)錨鏈總長(zhǎng)低于2 040 m時(shí)預(yù)張力會(huì)超過(guò)正常作業(yè)允許的張力，考慮到工程誤差、系泊纜繩疲勞以及極地環(huán)境碎冰、冰脊等對(duì)系泊系統(tǒng)的沖擊作用，預(yù)張力過(guò)大并不安全［21］.因此對(duì)于文中研究的系泊系統(tǒng)，預(yù)張力優(yōu)先選擇2 500 kN；如漂移量過(guò)大而纜繩安全系數(shù)仍有富余，可在規(guī)范允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增加預(yù)張力.

綜上，文中選擇12根錨鏈、15°錨鏈夾角和2 500 kN預(yù)張力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到該設(shè)計(jì)方案在一年一遇、百年一遇海況與平整冰聯(lián)合作用下的水平漂移和錨鏈張力時(shí)間歷程如圖10、11.在一年一遇海況和平整冰聯(lián)合作用下，平臺(tái)最大漂移約為27.80 m，纜繩最大張力約為3 745.35 kN，均滿(mǎn)足平臺(tái)正常作業(yè)的要求；在百年一遇海況和平整冰聯(lián)合作用下，平臺(tái)最大漂移約為56.06 m，纜繩最大張力約為5 317.58 kN，均滿(mǎn)足平臺(tái)自存要求.因此，該設(shè)計(jì)方案是合理的.

6" 結(jié)論

對(duì)極地海冰與鉆井平臺(tái)相互作用過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到平臺(tái)受到的冰載荷，通過(guò)系泊分析軟件分別得到極地某海域無(wú)冰和有平整冰情況下平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)平臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).

（1） 不論何種工況，極地0.6 m厚平整冰環(huán)境下鉆井平臺(tái)的漂移量和系泊纜張力均比無(wú)冰環(huán)境高300～400 kN，故經(jīng)抗冰改造的敞水鉆井平臺(tái)在投入使用前進(jìn)行抗冰性能分析是非常必要的；

（2） 平整冰對(duì)平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響隨著海況的增大而降低，海況較平穩(wěn)時(shí)平臺(tái)水平漂移受冰載荷影響相對(duì)較大，海況惡劣時(shí)平臺(tái)水平漂移受冰載荷影響相對(duì)較小，如四級(jí)海況有冰環(huán)境的漂移約為無(wú)冰環(huán)境得4倍，而百年一遇有冰環(huán)境僅略大于無(wú)冰環(huán)境；

（3） 通過(guò)正交試驗(yàn)法獲得的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為12根錨鏈、15°錨鏈夾角和2 500 kN預(yù)張力，該方案能夠使平臺(tái)在一年一遇海況和平整冰聯(lián)合作用下正常作業(yè)，在百年一遇海況和平整冰聯(lián)合作用下自存；

（4） 在文中選定的8～16根系泊纜、4°～15°錨鏈夾角和2 000～3 000 kN預(yù)張力參數(shù)范圍內(nèi)，增加系泊纜數(shù)量能夠顯著降低平臺(tái)的水平漂移、小幅度降低纜繩張力；提高纜繩預(yù)張力能夠降低平臺(tái)的水平漂移，但會(huì)增大纜繩的張力，降低安全系數(shù).

（5） 文中的研究成果可為實(shí)際工程提供參考，如在初步設(shè)計(jì)方案下平臺(tái)漂移量過(guò)大而纜繩安全系數(shù)較高，可以考慮適當(dāng)增大預(yù)張力；再如平臺(tái)漂移量過(guò)大同時(shí)纜繩安全系數(shù)較低，可以采用16根錨鏈.文中研究的作業(yè)環(huán)境工況有限，因此在投入實(shí)際海洋工程應(yīng)用前，還需深入調(diào)研極地鉆井平臺(tái)實(shí)際作業(yè)海況，并結(jié)合冰水池模型試驗(yàn)，從而給出更切合實(shí)際的系泊設(shè)計(jì)方案.

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