張 峰，王 磊，李勇躍

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200230)

錨泊輔助動力定位系統(tǒng)單纜失效影響研究

張 峰，王 磊，李勇躍

(上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200230)

針對半潛式鉆井平臺錨泊輔助動力定位系統(tǒng)在海上作業(yè)時可能會出現(xiàn)的單纜失效情況。以一艘半潛式平臺為例，設(shè)計錨泊輔助動力定位系統(tǒng)。通過全動態(tài)時域模擬，研究不同的單纜失效模式對半潛式平臺錨泊輔助動力定位系統(tǒng)功率消耗、定位精度、纜繩張力等的影響。根據(jù)分析結(jié)果，在極端海況下，松弛錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的背風(fēng)纜有助于降低定位系統(tǒng)的功率消耗，提高定位精度和系統(tǒng)的安全性，從而為錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供一些參考。

錨泊輔助動力定位;單纜失效;時域模擬;半潛式平臺

當(dāng)前，隨著海洋平臺作業(yè)水深不斷增加，對定位系統(tǒng)的要求也日益提高。半潛式鉆井平臺常用的定位系統(tǒng)主要有三種，即錨泊定位系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)和錨泊輔助動力定位系統(tǒng)。錨泊輔助動力定位系統(tǒng)相比錨泊定位系統(tǒng)有更好的定位精度，相比動力定位系統(tǒng)有更小的功率消耗，是一種非常適合半潛式鉆井平臺深水作業(yè)的定位方式［1，2］。

根據(jù)DNV規(guī)范，海洋平臺長期在海上作業(yè)，由于極端海況，操作失誤或疲勞破壞等原因，錨泊輔助動力定位系統(tǒng)可能會出現(xiàn)單根纜繩斷裂的情況，從而造成平臺失效，這稱為單纜失效［3］。單纜失效會造成平臺定位精度，功率消耗，纜繩張力等的變化，嚴(yán)重的甚至影響平臺的安全作業(yè)。所以對平臺單纜失效的影響進(jìn)行分析是十分必要的。

幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)對錨泊輔助動力定位系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，得出了許多有意義的結(jié)論。Johan Wichers和Van Dijk［4］對動力輔助錨泊定位在中深水FPSO上的應(yīng)用進(jìn)行了分析，提出動力輔助錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計思路。Chris Jenman［5］對比分析了動力輔助錨泊系統(tǒng)需要考慮的主要問題和各種方法的優(yōu)缺點。Sue Wang［6］驗證了動力定位系統(tǒng)的存在能夠有效減輕纜繩張力，提高平臺定位精度和安全裕度。孫攀［7］驗證了在推力器失效模式下，錨泊輔助動力定位系統(tǒng)相比動力定位系統(tǒng)有著更好的定位精度和更低的功率消耗。此外，Asgeir J.Sφrensen［8］等提出了FPSO的錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計要求。

針對一艘半潛式鉆井平臺，首先進(jìn)行錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的設(shè)計，然后考察在一定的環(huán)境載荷作用下，對定位系統(tǒng)不同的單纜失效模式進(jìn)行時域模擬，最后通過對比平臺定位精度和功率消耗，評價不同單纜失效模式對平臺的影響程度，并提出一些合理化建議，為工程實踐提供參考。

1 理論概述

本文將對半潛式平臺進(jìn)行時域模擬，故首先給出平臺的時域運動方程，然后對錨泊輔助動力定位系統(tǒng)纜繩張力和推力器推力，功率的計算進(jìn)行說明。

1.1 平臺時域運動方程

半潛式平臺在外力作用下的低頻運動方程為［9］:

1.2 錨泊輔助動力定位系統(tǒng)

半潛式平臺在環(huán)境載荷的作用下會發(fā)生水平偏移，故需要回復(fù)力將其定位在一定范圍。平臺定位所需的回復(fù)力由錨泊系統(tǒng)的纜繩張力和動力定位系統(tǒng)的推力提供。

對于錨泊系統(tǒng)，半潛式平臺設(shè)計的是懸鏈線錨泊系統(tǒng)，采用三段復(fù)合式錨纜，可用復(fù)合纜懸鏈線方程進(jìn)行求解［10，11］。

對于動力定位系統(tǒng)，推力、轉(zhuǎn)矩及功率的計算公式為［12］:

其中:n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，Q為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩，D為螺旋槳的直徑，KT為推力系數(shù)，KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，KT，KQ可根據(jù)軸向進(jìn)速在螺旋槳敞水性征曲線上查取。

2 計算實例

2.1 半潛式平臺

以一艘半潛式鉆井平臺為例。主要組成部件包括:下附體2個、柱形連接構(gòu)件2個、立柱4根、主甲板、箱形甲板、居住艙樓、直升機平臺等。平臺主要尺度如表1所示。

2.2 錨泊輔助動力定位系統(tǒng)

該平臺采用錨泊輔助動力定位系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)采用8個全回轉(zhuǎn)導(dǎo)管推力器，最大功率為4 600 kW。螺旋槳直徑為3.6 m，具體型號采用Ka 4-70槳+No.19A導(dǎo)管，葉片形式為Kaplan型，槳葉數(shù)為4，盤面比為0.70，導(dǎo)管類型為19A，螺旋槳螺距比取為1.0，導(dǎo)管長度與螺旋槳直徑比取為0.5［13］。

錨泊系統(tǒng)采用8點分散式懸鏈線錨泊系統(tǒng)，由4組、每組2根、共8根相同的錨纜組成。錨纜在平臺上的導(dǎo)纜孔位置分別對稱布置于4只立柱外側(cè)。每根錨纜總長4 200 m，系泊半徑3 677 m，采用三段式的組合錨纜形式，預(yù)張力為800 kN，破斷強度及材料特性等參數(shù)參見表2［14］。錨泊系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)的總布置如圖1所示。

表1 半潛式平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the semi-submersible platform

表2 組合錨纜主要物理屬性(水深1 500 m)Tab.2 Main physical properties of the combined mooring lines(waterdepth 1 500 m)

圖1 動力定位系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)布置Fig.1 Arrangement of the dynamic positioning system and the mooring system

2.3 海洋環(huán)境載荷

本計算中所采用的海況為平臺正常作業(yè)海況。由于風(fēng)、浪、流同向時為最惡劣的環(huán)境條件，故取風(fēng)、浪、流同向聯(lián)合作用作為計算的環(huán)境條件，其參數(shù)如表3所示。環(huán)境載荷作用方向為180°，如圖1所示。計算水深為1 500 m。

表3 平臺作業(yè)狀態(tài)環(huán)境條件Tab.3 The environment condition of the platform in operation case

3 數(shù)值模擬

將分別對處于完整模式和單纜失效模式的半潛式平臺進(jìn)行數(shù)值時域模擬。時域模擬采用DPSEMI軟件［15］，模擬時間取1 800 s，每24 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，最終得到平臺的水平偏移和功率消耗的時歷曲線。

由于半潛式平臺及錨泊系統(tǒng)的對稱性，在此只分析纜1～纜4分別失效而導(dǎo)致平臺處于四種不同的單纜失效模式。比較四種單纜失效模式對平臺定位精度功率消耗和纜繩張力等的影響。由圖1可看出，纜1和纜2對平臺作用力與環(huán)境載荷方向相反，稱為迎風(fēng)纜;纜3和纜4對平臺作用力與環(huán)境載荷方向相同，稱為背風(fēng)纜。

平臺完整模式和四種單纜失效模式的水平偏移時歷如圖2所示，功率消耗時歷如圖3所示，平臺偏移和功率消耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4、表5所示，纜繩平均張力變化如表6所示。

圖2 不同模式下的平臺偏移Fig.2 Offset of the platform under different types

圖3 不同模式下的平臺功率消耗Fig.3 Power utilization of the platform under different typesl

表4 平臺水平偏移統(tǒng)計值Tab.4 The statistic values of the platform offset

表5 平臺總功率消耗統(tǒng)計值Tab.5 The statistic values of the platform utilized power

表6 纜繩張力統(tǒng)計值Tab.6 The statistic values of the mooring-line tension

4 結(jié)果分析

通過對半潛式平臺完整模式和四種單纜失效模式的時域模擬，可以看出單纜失效對平臺的定位精度和功率消耗影響。從圖2、圖3及表4、表5可知，纜1失效和纜2失效都會導(dǎo)致平臺水平偏移和功率增大，而纜3失效和纜4失效卻導(dǎo)致平臺水平偏移和功率減小。其中纜1為張力最大的纜繩，失效導(dǎo)致平臺水平偏移增大26.6%，功率增大35.8%，增幅最大;纜4為張力最小的纜繩，失效導(dǎo)致平臺水平偏移減小26.6%，功率減小29.0%，降幅最大。這是因為纜1和纜2對平臺作用力與環(huán)境載荷方向相反，能夠抵消部分環(huán)境力，故一旦失效，錨泊系統(tǒng)定位能力下降，平臺偏移將增大，同時動力定位系統(tǒng)將增大功率來抵抗環(huán)境力;而纜3和纜4對平臺作用力與環(huán)境載荷方向相同，纜繩失效相當(dāng)于環(huán)境力的減小，故平臺水平偏移和功率都將減小。

由表6知，四種單纜失效模式對錨泊系統(tǒng)的影響非常小，各根纜繩張力的變化非常小，這是因為變化的載荷絕大部分都由動力定位系統(tǒng)的推力器承擔(dān)了，這樣能夠減小纜繩的疲勞破壞，進(jìn)一步體現(xiàn)了錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的優(yōu)越性。

5 結(jié)語

通過分析錨泊輔助動力定位系統(tǒng)單纜失效的影響，可以得出如下結(jié)論:

1)總體來說，迎風(fēng)纜失效會導(dǎo)致平臺水平偏移和功率增大，纜繩張力越大，增幅越大;背風(fēng)纜失效會導(dǎo)致平臺水平偏移和功率減小，纜繩張力越小，降幅越大。故在實際工程中需特別注意最大張力纜出現(xiàn)失效情況。

2)在風(fēng)、浪、流為同向時的最惡劣的環(huán)境條件下，松弛背風(fēng)纜(纜3、纜4)，可減少動力定位系統(tǒng)定位功率消耗，降低油耗，增強定位系統(tǒng)的安全性。

3)單纜失效對動力定位系統(tǒng)定位精度和功率消耗影響較大，而對錨泊系統(tǒng)纜繩張力影響卻很小，這體現(xiàn)了錨泊輔助動力定位系統(tǒng)的優(yōu)勢。

［1］A B Albers，A A Merchant.The hydrodynamic model testing for closed loop DP assisted mooring［C］∥Offshore Technology Conference.1996.

［2］張炳夫.深水錨泊和動力定位聯(lián)合定位系統(tǒng)設(shè)計研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［3］DNV.Offshore standard DNV-OS-E301:Position mooring［S］.2010:58-59.

［4］Johan Wichers，Van Dijk.Benefits of using assisted DP for deepwater mooring systems［C］∥Offshore Technology Conference.1996.

［5］Chris Jenman.Mixing dynamic positioning with moorings［C］∥Dynamic Positioning Conference.2005.

［6］Sue Wang.On the assessment of thruster assisted mooring［J］.Offshore，2010.

［7］孫 攀.深海半潛式鉆井平臺錨泊輔助動力定位系統(tǒng)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

［8］Asgeir J Sφrensen，Jann Peter Strand，Thor I Fossen.Thruster assisted position mooring system for turret-anchored FPSOs［C］∥International Conference on Control Applications.1999.

［9］李勇躍，王 磊，孫 攀.深水半潛式鉆井平臺動力定位最優(yōu)作業(yè)方向研究［J］.海洋工程，2011，29(1):26-31.

［10］黃 劍，朱克強.半潛式平臺兩種錨泊系統(tǒng)的靜力分析與比較［J］.華東船舶上業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，18(3):1-5.

［11］余 龍，譚家華.基于準(zhǔn)靜定方法的多成分錨泊線優(yōu)化［J］.海洋工程，2005，23(1):69-73.

［12］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理(下冊)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社.2004:34-36.

［13］陳 恒.深海半潛式平臺動力定位推力系統(tǒng)設(shè)計研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［14］API-RP2SK，Recommended practice foe design and analysis of station keeping systems for floating structures［S］.2005.

［15］MARIN DPSEMI USER GUIDE［M］.

Research on the impact of one line failure for a mooring assisted dynamic positioning system

ZHANG Feng，WANG Lei，LI Yong-yue
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China)

For a semi-submersible platform，one mooring line may fail when the mooring-assisted dynamic positioning system works in the sea.As an example，a semi-submersible platform has been considered and a mooring-assisted dynamic positioning system has been designed.By using the time domain simulation，the impact of one mooring line failure on the offsets and power utilization of the platform will be analyzed.From the analysis result，it is suggested that under severe conditions，loosing the tension of the leeward lines can reduce power consumption，improve positioning accuracy and the safety of the positioning system，which will be helpful to the further engineering applications of the mooring-assisted dynamic positioning system.

mooring-assisted dynamic positioning system;one mooring line failure;time domain simulation;semi-submersible platform

U676.2

A

1005-9865(2012)03-0029-06

2011-10-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51179103);工信部高技術(shù)船舶科研基金“深海半潛式鉆井平臺工程開發(fā)”資助項目

張 峰(1988-)，男，河南三門峽人，碩士研究生，主要從事錨泊輔助動力定位研究。E-mail:yujue@sjtu.edu.cn

王 磊。E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn