陳 剛，吳曉源

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

國(guó)內(nèi)對(duì)于深水半潛式平臺(tái)的碼頭系泊問題的研究較少[4]，尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。本文以某深水半潛式鉆井平臺(tái)及其碼頭系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行風(fēng)、流載荷共同作用下的抗臺(tái)風(fēng)系泊計(jì)算分析，建立了多浮體混合帶纜系泊系統(tǒng)，為工程實(shí)際施工提供參考依據(jù)。

1 研究方法

以外高橋建造的深水半潛式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象，采用模塊法（building block method）計(jì)算該平臺(tái)的風(fēng)載荷，將平臺(tái)離散成不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模塊，疊加各組成構(gòu)件的載荷獲得總載荷。對(duì)其水下部分，使用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法計(jì)算平臺(tái)的縱向和橫向流載荷。對(duì)于具有變剛度特性的尼龍系泊纜，使用集中質(zhì)量法進(jìn)行模擬。對(duì)于橡膠護(hù)舷，采用線性化處理，將護(hù)舷達(dá)到某一反力前的剛度曲線看做線性的，并忽略其受力面積的影響。對(duì)于碼頭護(hù)舷，對(duì)在達(dá)到最大反力值之前看作線性剛度；對(duì)于半潛式平臺(tái)和駁船間的護(hù)舷，對(duì)在達(dá)到最大反力值的60%前看作線性。

2 計(jì)算對(duì)象及環(huán)境條件

2.1 半潛式平臺(tái)

深水半潛式鉆井平臺(tái)的主尺度如表1所示。

表1 半潛式平臺(tái)主尺度 m

其出塢舾裝狀態(tài)如表2所示：

表2 半潛式平臺(tái)舾裝狀態(tài)主要參數(shù)

2.2 系泊駁船

在半潛式平臺(tái)與碼頭之間墊靠駁船的主尺度為：長(zhǎng)75.6m，寬30m，型深4.5m，吃水2.4m，排水量4800t。

2.3 系泊纜

采用尼龍纜繩，其規(guī)格是八股繩索的錦綸復(fù)絲纜（polyamide multifilament），直徑112mm，線密度8.11kg/m，斷裂強(qiáng)度為2060kN。尼龍纜繩具有變剛度特性，其剛度曲線如圖1所示。

②2008年、2011年，浙江溫州等地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)多起企業(yè)家“跑路”現(xiàn)象，如眼鏡行業(yè)龍頭、溫州信泰集團(tuán)董事長(zhǎng)胡福林等.

2.4 碼頭

該平臺(tái)在碼頭舾裝時(shí)因受到其他船舶舾裝?？康挠绊?，可以使用的碼頭長(zhǎng)度約為 180m。而平臺(tái)本身長(zhǎng)度就達(dá)到114.07m，碼頭可用長(zhǎng)度較小，對(duì)平臺(tái)系泊纜的布置會(huì)受到較大影響。

2.5 碼頭護(hù)舷

碼頭護(hù)舷采用型號(hào) H1000的超級(jí)鼓型橡膠護(hù)舷，兩股為一組，長(zhǎng)度1m，單鼓壓縮性能（力學(xué)特性）為受壓力57.9t時(shí)壓縮52.5%；受壓力61.5t時(shí)壓縮55.5%。

2.6 平臺(tái)與駁船間護(hù)舷

采用長(zhǎng)6m，直徑2m的圓筒形充氣式護(hù)舷，其單組最大反力為1766kN，在平臺(tái)與駁船間共設(shè)置4組。

2.7 常規(guī)系泊環(huán)境條件

碼頭設(shè)計(jì)高水位為4.13m，設(shè)計(jì)低水位為0m。計(jì)算中采用3m的水位。

根據(jù)碼頭環(huán)境條件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平臺(tái)正常舾裝時(shí)，可能遭遇的最大風(fēng)速為 10級(jí)陣風(fēng)，取其上限，即28.4m/s，最大流速3kn，為1.543m/s，具體風(fēng)、流環(huán)境條件組合如表3所示，其作用方向見圖2。

表3 風(fēng)流組合條件

圖1 系泊纜剛度曲線

圖2 環(huán)境載荷作用方向定義

3 計(jì)算方法

3.1 風(fēng)載荷計(jì)算

采用模塊法計(jì)算平臺(tái)的風(fēng)載荷。將平臺(tái)離散成不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模塊，疊加各組成構(gòu)件的載荷獲得總載荷。

平臺(tái)的總風(fēng)載荷為：

其中，第i個(gè)單個(gè)構(gòu)件的受力為：

式中，ρa(bǔ)——空氣密度；

A——受風(fēng)面積；

Ci——載荷系數(shù)，是風(fēng)向角以及平臺(tái)位置狀態(tài)的函數(shù)；

Cqi——影響修正系數(shù)，計(jì)及了風(fēng)場(chǎng)的影響、構(gòu)件間的相互影響等。

采用荷蘭MARIN研究所開發(fā)的計(jì)算軟件DPSEMI，對(duì)平臺(tái)水面以上的主要模塊進(jìn)行離散，根據(jù)各模塊載荷特性確定 Ci和 Cqi，然后疊加個(gè)模塊載荷，得到平臺(tái)總風(fēng)載荷。風(fēng)載計(jì)算模型示意圖見圖3，計(jì)算出的風(fēng)載荷系數(shù)如圖4所示。

圖3 風(fēng)載計(jì)算模型

圖4 風(fēng)阻力系數(shù)

3.2 流載荷

對(duì)半潛式平臺(tái)水下部分，使用CFD的方法計(jì)算平臺(tái)的橫向流載荷和縱向流載荷。

對(duì)于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程分別為：

式中： ui——速度分量；

Fi——質(zhì)量力分量，(i = 1 ,2,3)；

ρ——壓力；

ν——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。對(duì)方程(3)、(4)進(jìn)行雷諾平均，消除所有的高階小量，得到RANS方程：

采用kε-模型，應(yīng)用有限體積法，根據(jù)上述方程組，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可得到平臺(tái)水下部分的流載荷。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3.3 系泊纜模擬

對(duì)于具有變剛度特性的尼龍系泊纜，使用集中質(zhì)量法進(jìn)行模擬，即將一根系泊纜分成若干段單元，每段看作輕質(zhì)短棒，段與段之間采用一個(gè)帶質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)連接。短棒上模擬系泊纜軸向的性質(zhì)，而其他作用力則都集中于節(jié)點(diǎn)上。

系泊纜的張力值與其剛度特性相關(guān)，可用下式表示它們之間的關(guān)系：

表4 流阻力系數(shù)

式中：eT——有效張力；

3.4 護(hù)舷模擬

對(duì)于橡膠護(hù)舷，一般具有非線性剛度曲線。對(duì)其采用線性化處理，將護(hù)舷達(dá)到某一反力前的剛度曲線看作線性的，并忽略其受力面積的影響。對(duì)于碼頭護(hù)舷，對(duì)其達(dá)到最大反力值之前看作線性剛度，其剛度為2400kN/m；對(duì)于半潛式平臺(tái)和駁船間的護(hù)舷，對(duì)其達(dá)到最大反力值的60%前看作線性，其剛度為1060kN/m。

4 抗臺(tái)風(fēng)系泊方案

4.1 多浮體混合帶纜系泊系統(tǒng)

為增強(qiáng)系泊方案抵御惡劣環(huán)境的能力，結(jié)合平臺(tái)與碼頭系纜樁布置的實(shí)際情況，利用平臺(tái)立柱上的錨鏈導(dǎo)纜孔，在平臺(tái)與碼頭間增設(shè) Dyneema系泊纜。Dyneema系泊纜是一種強(qiáng)度和延伸率與鋼絲繩類似，但重量只有鋼絲繩 1/7的高性能系泊纜，能在保證高強(qiáng)度的前提下提高系泊纜的操作性。半潛式平臺(tái)、浮箱、駁船和碼頭由鋼絲繩、尼龍纜和高強(qiáng)度尼龍纜相連接，構(gòu)成多浮體混合帶纜系泊系統(tǒng)。

考慮到平臺(tái)與碼頭上系纜樁數(shù)目以及布置的實(shí)際情況，增設(shè)Dyneema系泊纜后的碼頭系泊布置圖，包括鋼絲繩編號(hào)和Dyneema系泊纜編號(hào)，如圖5~7所示。

圖5 多浮體混合帶纜系泊系統(tǒng)計(jì)算效果圖

圖6 增設(shè)Dyneema系泊纜后3600t甲板駁系泊方案

圖7 增設(shè)Dyneema系泊纜后3600t甲板駁系泊方案

4.2 計(jì)算結(jié)果

分析中使用的環(huán)境條件為臺(tái)風(fēng)工況：風(fēng)速12級(jí)，36.9m/s，流速3kn，1.543m/s。針對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以及受力較大的鋼絲繩和Dyneema系泊纜，計(jì)算結(jié)果如表5所示。計(jì)算結(jié)果表明，系泊方案可滿足臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下的系泊系統(tǒng)安全要求。

表5 主要靜態(tài)計(jì)算結(jié)果

表5 主要靜態(tài)計(jì)算結(jié)果（續(xù)）

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以某深水半潛式鉆井平臺(tái)的碼頭系泊系統(tǒng)為例，進(jìn)行抗臺(tái)風(fēng)系泊計(jì)算分析，建立了多浮體混合帶纜系泊系統(tǒng)，得到了可用于實(shí)際施工的工程解決方案。經(jīng)計(jì)算及實(shí)際工程項(xiàng)目檢驗(yàn)，多浮體混合帶纜系泊系統(tǒng)可滿足臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下的平臺(tái)系泊安全要求。

[1] 向 溢，譚家華. 碼頭系泊纜繩張力的蒙特卡洛算法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35(4): 548-551.

[2] 楊 啟，李 臻. 基于模矢搜索的船舶系泊評(píng)價(jià)函數(shù)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41(2): 221-226.

[3] 鄒志利，張日向，張寧川，等. 風(fēng)浪流作用下系泊船系纜力和碰撞力的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)，2002，17(2): 22- 27.

[4] 陳 剛，吳曉源. 深水半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造[J]. 上海造船，2012, (1): 9-14.