王永恒，王 磊，汪學(xué)鋒，徐勝文

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

南海島礁極淺水下半潛平臺(tái)錨泊系統(tǒng)數(shù)值模擬探究

王永恒，王 磊，汪學(xué)鋒，徐勝文

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

錨泊定位系統(tǒng)是海洋工程裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一，因其具有較高的安全性、較強(qiáng)的定位能力、相對(duì)較低的經(jīng)濟(jì)成本等優(yōu)點(diǎn)，因使用范圍相當(dāng)廣泛，是海洋開發(fā)過程中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。本文針對(duì)南海島礁復(fù)雜地形，設(shè)計(jì)一套適應(yīng)極淺水下平臺(tái)定位的錨泊系統(tǒng)，并計(jì)算分析其定位能力?？紤]到復(fù)雜的地形，錨鏈采用非對(duì)稱式布置，同時(shí)，為增加錨鏈與海底摩擦力，提高平臺(tái)在偏離平衡位置后的回復(fù)力，在錨鏈上分散布置了許多重塊。通過分析時(shí)域模擬的結(jié)果，驗(yàn)證該錨泊系統(tǒng)的可行性，為模型試驗(yàn)和極淺水環(huán)境下平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

錨泊系統(tǒng)；定位精度；復(fù)雜地形；極淺水

0 引 言

在風(fēng)浪流環(huán)境力作用下，為了保證海洋平臺(tái)的安全作業(yè)，需要裝備適當(dāng)?shù)亩ㄎ幌到y(tǒng)來保證其運(yùn)動(dòng)在允許的安全范圍內(nèi)。一般來說，常用的定位方式主要有錨泊定位、動(dòng)力定位和錨泊輔助動(dòng)力定位等，其中，錨泊定位發(fā)展時(shí)間較早，是一種較為傳統(tǒng)的定位方式，通常用于淺水中海洋平臺(tái)的定位[1-3]。

在錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，海洋平臺(tái)的安全性是第一位的，所設(shè)計(jì)的錨泊定位系統(tǒng)首先要滿足平臺(tái)的定位需求，保證其安全作業(yè)；其次，要考慮錨泊系統(tǒng)本身的安全性，如錨鏈的破斷強(qiáng)度要足夠大，足以承受工作海域給定海況下的可能出現(xiàn)的最大張力，保證不出現(xiàn)錨鏈斷裂的情況[4]。

常規(guī)錨泊系統(tǒng)的錨鏈多沿著平臺(tái)的各個(gè)方向?qū)ΨQ布置，分散固定在海底錨點(diǎn)處，從而整個(gè)系統(tǒng)可以為平臺(tái)提供回復(fù)力和力矩，用以抵抗各種作用在平臺(tái)上的環(huán)境力，控制平臺(tái)的位置和首向變化[5]。本文研究的平臺(tái)其工作地點(diǎn)位于南海島礁附近，特點(diǎn)是水深極淺，地勢(shì)復(fù)雜，錨泊的布置方式和受力情況也變得非常復(fù)雜。受限于島礁附件有限的空間，以及工作需要靠近島礁的需求，在經(jīng)濟(jì)、安全的前提下，本文使用非對(duì)稱方式布置錨鏈[6-8]。為增加錨鏈與海底摩擦力，提高平臺(tái)在偏離平衡位置后的回復(fù)力，在錨鏈上起始段布置了許多重塊[9]。

針對(duì)該復(fù)雜島礁環(huán)境所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱錨鏈定位精度和安全問題是本文分析的重要問題。極淺水中系泊系統(tǒng)所采用的錨鏈上配置有許多重塊，其對(duì)錨泊系統(tǒng)安全問題的影響也是值得研究與分析的要點(diǎn)。

1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)理論

1.1 坐標(biāo)系

隨船坐標(biāo)系oxyz固定在平臺(tái)上，隨平臺(tái)搖蕩，平臺(tái)處于平衡位置，oxy平面與靜水面重合，oz軸垂直向上，與平臺(tái)中心軸重合。

大地坐標(biāo)系OXYZ，當(dāng)平臺(tái)在平衡位置時(shí)候，與隨船坐標(biāo)系重合，但其不隨平臺(tái)搖蕩，始終處于平衡位置。

1.2 平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

在隨船坐標(biāo)系中，平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程[10]為：

將FF-K和FD合稱為一階波浪力Fw，F(xiàn)w可根據(jù)Cummins[11]提出的時(shí)域與頻域波浪力的卷積關(guān)系計(jì)算：

二階波浪力Fsn采用 Newman 近似計(jì)算，根據(jù)間接時(shí)域法，即采用頻域格林函數(shù)法計(jì)算浮體的附加質(zhì)量、阻尼和波浪作用力，通過快速傅里葉變換，將頻域水動(dòng)力系數(shù)變?yōu)闀r(shí)域水動(dòng)力系數(shù)[12]。

通過傅里葉變換，求得延遲函數(shù)：

式中λ為頻域中浮體的阻尼陣。

時(shí)域中浮體附加質(zhì)量為：

式中：μ為頻域中浮體附加質(zhì)量陣；ω0為任意值。

風(fēng)力和流力計(jì)算根據(jù) OCIMF 提供的資料進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

流力計(jì)算公式為：

式中：vk為風(fēng)速；ch為風(fēng)壓高度系數(shù)；cs為形狀系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；CD為流力系數(shù)；u為流速；A為迎流面積。

錨鏈系泊力Fm可采用懸鏈線方程計(jì)算，錨鏈視為完全撓性，不能傳遞彎矩，如圖 1 所示。圖 1中，A為上部平臺(tái)導(dǎo)出點(diǎn)，OA為錨索懸垂部分，O端與海底相切處，l為曲線OA長(zhǎng)度，S為OA水平投影，h為水深，w為錨索單位長(zhǎng)度的重量。OA線上各點(diǎn)都受到拉力，但A點(diǎn)的拉力Fm最大。Q為海底錨的水平拉力。V為Fm的垂直分力，它與錨索重平衡。

極淺水中，錨索長(zhǎng)度不足 400 m，可以使用單一成分的錨索，因此只考慮全錨鏈形式。懸鏈線方程為：

2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

半潛平臺(tái)水動(dòng)力計(jì)算采用勢(shì)流軟件計(jì)算，錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析采用 SESAM 和 Orcaflex 軟件，風(fēng)力、流力的估計(jì)值采用水池模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2.1 平臺(tái)附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)

半潛平臺(tái)主要參數(shù)如表 1 所示。

圖 2 和圖 3 為平臺(tái)附加質(zhì)量系數(shù)和勢(shì)流阻尼系數(shù)。由圖 2 和圖 3 可知，對(duì)于水平面三自由度運(yùn)動(dòng)模態(tài)，附加質(zhì)量系數(shù)在 1.4 rad/s 附近，出現(xiàn)峰值，過了該峰值后，隨波浪頻率的升高而急劇減?。辉?1.4～1.5 rad/s 之間的波頻區(qū)，出現(xiàn)勢(shì)流阻尼的最大峰值。

表 1 半潛平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 Main parameter of semi-submersible platform

而對(duì)于垂直面三自由度運(yùn)動(dòng)模態(tài)，在 0.6～1.2 rad/s 區(qū)間，附加質(zhì)量出現(xiàn)最大峰值，過了峰值點(diǎn)后，其值隨著波浪頻率的升高而減小。附加質(zhì)量在波頻響應(yīng)下較大，阻尼在較高頻的波浪響應(yīng)下較大。根據(jù)三維勢(shì)流理論，附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)增大會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)所受水壓力增大，對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2.2 設(shè)計(jì)工況和環(huán)境載荷

表 2 列出了平臺(tái)在海上工作的海洋環(huán)境條件。由于平臺(tái)位于南海島礁，深水波浪傳遞至平臺(tái)位置時(shí)，波浪方向逐漸垂直于海岸線[13]，因此本文主要考慮平臺(tái)在 90 ℃首向進(jìn)行作業(yè)。模擬波浪譜采用北海聯(lián)合海浪計(jì)劃（JONSWAP）譜。

表 2 環(huán)境工況參數(shù)Tab.2 Environment parameters

2.3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸鏈?zhǔn)藉^鏈具有良好的對(duì)海底的抗磨損性，對(duì)錨的抓力有較好的作用，因此在極淺水時(shí)可以使用全錨鏈系統(tǒng)，而不必使用合成索和鋼絲繩[14]。

錨鏈采用鑄鐵錨鏈，鑄鐵環(huán)直徑為 66 mm，每節(jié)鑄鐵錨鏈長(zhǎng)度為 27.5 m，重約 2 766 kg，最大破斷力3 300 kN。根據(jù) API RP 2SK 規(guī)范[15]，對(duì)于完好的系泊系統(tǒng)，使用準(zhǔn)靜態(tài)分析計(jì)算時(shí)，錨鏈最大張力的安全因子取 2.0；使用動(dòng)力分析時(shí)，錨鏈安全因子取 1.67[16]。

淺水錨泊系統(tǒng)錨鏈拖底段較長(zhǎng)，平臺(tái)飄曳范圍增大[17]，因此為了增大穩(wěn)性，設(shè)計(jì)在每根錨鏈靠近導(dǎo)纜孔一側(cè)加部分配重塊。距導(dǎo)纜孔 10 m處開始布配重塊，相鄰配重塊間距 5 m，每個(gè)配重塊重 5 t，每根錨鏈固定 10 個(gè)配重，配重同時(shí)具有增加錨鏈與海底之間摩擦力的作用。

在錨泊定位系統(tǒng)中，通過調(diào)整錨鏈預(yù)張力的大小，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)物的定位精度。本文選取的預(yù)張力為 23 t。

2.4 極淺水錨泊系統(tǒng)布置

與深水作業(yè)的半潛平臺(tái)相比，淺水布置錨泊較為簡(jiǎn)單。而且因?yàn)榘霛撈脚_(tái)正向和側(cè)向面積差別不大，作用在各個(gè)方向上的環(huán)境力相當(dāng)，可以采用輻射狀布置錨鏈。

考慮島礁附近海底地形特點(diǎn)，以及半潛平臺(tái)靠近島礁的工作特點(diǎn)，靠島嶼一側(cè)缺少足夠的空間布置錨鏈，因此靠岸側(cè)錨鏈相應(yīng)縮短長(zhǎng)度。所以本次的錨泊系統(tǒng)采用的是 8 點(diǎn)分散式懸鏈線系統(tǒng)，且靠岸一側(cè)錨鏈長(zhǎng)度較短[18]，如圖 4 所示。每點(diǎn)連接 1 根錨鏈，共 8 根。

3 平臺(tái)時(shí)域模擬結(jié)果分析

3.1 六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷

1）工作海況

工作海況下，平臺(tái)的縱蕩、橫蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷如圖 6 所示，橫搖、縱搖、首搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷如圖 7 所示。表 3 列出了平臺(tái)在工況海況下六自由度運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由圖 5 和圖 6 的結(jié)果可知，在所給環(huán)境力條件下，平臺(tái)能較好地進(jìn)行定位，最大橫蕩偏移位置為 1.2 m，最大橫搖角度為 0.96° 左右。平臺(tái)垂蕩數(shù)值也較小，最大垂蕩位移為 0.55 m，不會(huì)發(fā)生觸底風(fēng)險(xiǎn)。

該種錨鏈布置方式能提供相對(duì)很大的首搖恢復(fù)力矩，在這種較小的環(huán)境力作用下，平臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生很大首搖角。

平臺(tái)最大橫蕩位移為 1.2 m，最大橫搖角度 0.96°，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.26 m，0.14°。因此在給定的環(huán)境條件下，該平臺(tái)的定位性能優(yōu)秀。較小的標(biāo)準(zhǔn)差也反映了該錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）生存海況

生存海況下平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值如表 4 所示，縱蕩、橫蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷如圖 8 所示，橫搖、縱搖、首搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷如圖 9 所示。

表 3 工作海況六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Operation condition 6-DOF statistical result

從六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷運(yùn)動(dòng)圖可以發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)橫漂較大。這是由于該平臺(tái)采用的八根錨鏈定位，在生存海況下為了錨鏈安全，預(yù)張力相對(duì)較??；而且，生存海況風(fēng)速達(dá)到了 36 m/s，平臺(tái)受到很大的風(fēng)力。因此，在上述綜合作用下，平臺(tái)產(chǎn)生較大的橫漂。

平臺(tái)的首搖運(yùn)動(dòng)較大，原因是平臺(tái)上層建筑的不對(duì)稱，導(dǎo)致平臺(tái)受到的風(fēng)力實(shí)際上在首搖方向上有一個(gè)力矩。

表 4 生存海況六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Survival condition 6-DOF statistical result

3.2 導(dǎo)纜孔處錨鏈張力時(shí)歷分析

錨鏈較大的張力發(fā)生在生存工況中。圖 9～圖 10和表 5 分別給出了生存海況下受力最大的2根錨鏈張力時(shí)歷與統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

生存海況中錨鏈?zhǔn)艿降淖畲髲埩?108 t，小于錨鏈破斷強(qiáng)度 330 t，安全系數(shù)為 3.05，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)安全系數(shù) 1.67，不會(huì)有錨鏈破斷的情況出現(xiàn)，其中 6 號(hào)和 7號(hào)錨鏈?zhǔn)芰?biāo)準(zhǔn)差較大，說明張力值變化頻率與幅值較大，需要注意防止其疲勞斷裂。

圖 11～圖 12 和表 6 為工作海況下受力最大的2根錨鏈張力和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。相對(duì)于生存海況，工作海況下錨鏈拉力較小，最大值為 43 t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于破斷張力，不會(huì)有錨鏈破斷的情況出現(xiàn)，其中 6 號(hào)和 7 號(hào)錨鏈?zhǔn)芰?biāo)準(zhǔn)差相對(duì)生存海況也較小，疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較低。

3.3 錨點(diǎn)處錨抓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

由于錨鏈上間隔布置了配重，因此錨點(diǎn)受到的抓力并不大。

表 7 給出了生存工況下錨點(diǎn)抓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這也是錨點(diǎn)抓力最大的工況。

可以發(fā)現(xiàn)，錨點(diǎn)抓力分為明顯不同的 2 組，即迎風(fēng)浪一側(cè) 4 根和背風(fēng)浪一側(cè) 4 根這 2 組。迎風(fēng)浪一側(cè)的 5～8 號(hào)錨點(diǎn)受到較大的拉力，所以錨點(diǎn)抓力較大。其中最大的力為 90 t，屬于比較小的量級(jí)，這跟錨鏈特點(diǎn)有關(guān)，拖底段較長(zhǎng)，以及錨鏈上間隔布置的 5 t 重塊，都阻礙了錨鏈導(dǎo)纜孔處的拉力傳遞到錨點(diǎn)處，因此不會(huì)發(fā)生走錨的危險(xiǎn)[19]。

表 5 生存海況 1～8 號(hào)錨鏈張力Tab.5 Survival condition line 1～8 force

表 6 工作海況 1～8 號(hào)錨鏈張力Tab.6 Operation condition line 1-6 force

表 7 1～8 號(hào)錨點(diǎn)處抓力Tab.7 Line 1-8 anchor force

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)極淺水下平臺(tái)的錨泊定位進(jìn)行了系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和時(shí)域模擬分析。在工作海況下，平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，定位精度較高，不會(huì)發(fā)生觸底現(xiàn)象，且系泊系統(tǒng)各部分受力均滿足相關(guān)要求。在生存海況下，平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)雖然較大，但滿足平臺(tái)生存海況下運(yùn)動(dòng)允許的范圍，錨泊系統(tǒng)滿足生存海況下的破斷要求。根據(jù)不同工況下的時(shí)域模擬結(jié)果，可以證明該套錨鏈用于極淺水下平臺(tái)的定位是安全可行的。

本文較好地解決了近島礁淺水環(huán)境下浮式平臺(tái)的系泊問題，可為平臺(tái)的水池模型試驗(yàn)和極淺水下平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

對(duì)于島礁周圍復(fù)雜海域的開發(fā)，由于復(fù)雜地形問題，經(jīng)常會(huì)遇到類似的不規(guī)則錨泊設(shè)計(jì)問題。其可以在保證結(jié)構(gòu)物定位精度的前提下，減少經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)此進(jìn)行研究有很大的工程意義。

極淺水中錨泊定位，系統(tǒng)優(yōu)化空間受到限制，可以在錨鏈上配重增加錨鏈與海底的摩擦力，提高平臺(tái)定位穩(wěn)定性，減少起錨的風(fēng)險(xiǎn)。

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Numerical investigation of mooring system for a semi-submersible in ultra-shallow water of south china sea reefs area

WANG Yong-heng, WANG Lei, WANG Xue-feng, XU Sheng-wen
(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Mooring positioning system is one of the key technologies for marine structures, and it has high security, high positioning accuracy, relatively low economic cost, so it is widely used.It is an essential technology ocean development process.In this paper, designed a mooring system for a semi-submersible platform in ultra-shallow water of South China Sea reefs area and analyzed platform positioning accuracy.Considering the complex coastal ocean environment and ultra-shallow water, asymmetric arrangement mooring system is usually adopted.In order to increase bottom friction, chain is decorated a lot of weight.

ooring system；positioning accuracy；complex terrain；ultra-shallow water

P751

：A

1672-7619(2017)01-0068-06doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.014

2016-06-15；

: 2016-08-20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB036103)

王永恒(1989-)，男，碩士研究生，主要從事動(dòng)力定位和系泊研究。