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        深水大型浮臺(tái)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力計(jì)算分析

        2018-11-13 10:00:14劉生法
        廣東造船 2018年5期
        關(guān)鍵詞:錨鏈系泊聚酯

        王 領(lǐng),劉生法

        (廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,廣州 510250)

        1 引言

        發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)均離不開海洋信息的獲取,這就需要建立可靠的信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。深海浮標(biāo)是一種載有各類探測(cè)傳感器和監(jiān)測(cè)儀器的海上觀測(cè)平臺(tái)[1],它可以在海上進(jìn)行定點(diǎn)(或組網(wǎng))的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè),為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋漁業(yè)、航海運(yùn)輸、執(zhí)法維權(quán)、海洋科學(xué)研究以及海洋開發(fā)提供實(shí)時(shí)的海洋信息。

        我國(guó)目前布設(shè)的大型浮標(biāo)數(shù)量較少,功能相對(duì)單一,布放區(qū)域僅為近岸沿海地區(qū),未覆蓋到遠(yuǎn)海、深海區(qū)域。雖然已經(jīng)開展了深海浮標(biāo)的研究[2~5],但是尚未開發(fā)和部署深水大型浮標(biāo)。大型浮標(biāo)可以搭載更多觀測(cè)和監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備,應(yīng)用范圍更廣。將海洋工程系泊技術(shù)應(yīng)用到深海大型浮標(biāo)上,可以顯著提高其環(huán)境適應(yīng)性和安全性。本文選擇某大型浮臺(tái),對(duì)其深海系泊型式進(jìn)行研究,對(duì)系泊纜組成以及長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化,并采用水動(dòng)力計(jì)算軟件論證其深水系泊的安全性及可靠性。

        2 研究方法

        本文采用AQWA和OrcaFlex軟件對(duì)深水浮臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力分析。AQWA和OrcaFlex軟件是業(yè)內(nèi)先進(jìn)的海洋工程水動(dòng)力計(jì)算和系泊分析軟件,可以對(duì)錨泊系統(tǒng)、海洋工程立管系統(tǒng)、水下軟管和安裝等進(jìn)行分析。OrcaFlex是一個(gè)全3D的非線性時(shí)域仿真程序,能夠較好處理結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題。

        根據(jù)選定的海洋環(huán)境條件,對(duì)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及受力進(jìn)行分析。主要的研究路線如下:

        (1)建立大型浮臺(tái)等系泊系統(tǒng)的模型;

        (2)采用AQWA進(jìn)行前期數(shù)據(jù)處理和建模,首先將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入,然后利用AQWA-LINE模塊進(jìn)行靜水力分析、規(guī)則波下波浪載荷和系統(tǒng)響應(yīng)的計(jì)算,以及頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計(jì)算;

        (3)將AQWA-LINE的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入OrcaFlex進(jìn)行系泊纜繩和浮臺(tái)的時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)分析,仿真在不規(guī)則波下浮臺(tái)以及系泊纜繩的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng),得到纜繩張力及浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷變化曲線;

        (4)對(duì)OrcaFlex計(jì)算得到的時(shí)歷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,判斷系泊方案可行性及系泊安全性。

        3 系泊系統(tǒng)方案

        3.1 環(huán)境條件

        本文研究的浮臺(tái)系泊系統(tǒng)用于南海海域,水深約1 530 m,選取100年一遇的環(huán)境條件作為安全自存的工況。波浪譜采用JONSWAP譜,選取的主要環(huán)境條件見表1。

        表1 主要的環(huán)境條件

        3.2 大型浮臺(tái)主尺度參數(shù)

        浮臺(tái)示意圖以及相關(guān)尺寸見圖1和表2。該浮臺(tái)尺度較大,但其水線面較小,僅為三個(gè)支柱的面積。

        圖1 浮臺(tái)示意圖

        表2 浮臺(tái)主尺度

        3.3 系泊系統(tǒng)方案

        浮臺(tái)系泊系統(tǒng)在淺水中一般采用純錨鏈系泊;在深水中由于錨鏈重量過重,不僅顯著增大導(dǎo)纜器的拉力,還會(huì)增加浮臺(tái)吃水,大大降低浮臺(tái)有效載荷。為了減輕自身重量,宜采用組合纜系泊,除首尾部仍然采用錨鏈外,中間段通常采用鋼纜或者纖維纜。

        鋼纜具有較高的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度,但自身重量比較重且彈性較低。實(shí)驗(yàn)表明,在負(fù)荷為其破斷強(qiáng)度的一半時(shí),鋼絲繩的伸長(zhǎng)率約為1% 。鋼絲繩的低彈性特點(diǎn),使其在動(dòng)力負(fù)荷較大的系泊系統(tǒng)中極易產(chǎn)生較大的峰值載荷。

        纖維纜重量輕,主要有尼龍纜、聚酯纜、高模聚乙烯等。本文選用聚酯纜作為系泊系統(tǒng)的組成部分。聚酯纜材料為高韌性聚酯復(fù)絲纖維,熔點(diǎn)為256°,冷水下幾乎不收縮,吸水率低、耐磨性好、彈性適中,當(dāng)載荷為其破斷強(qiáng)度的一半時(shí),伸長(zhǎng)率約為7%。聚酯索在干燥和受潮下強(qiáng)度都很高,具有良好的耐磨損性能,在交變載荷下也不會(huì)很快喪失強(qiáng)度。由OCIMF主持的試驗(yàn)表明,在交變載荷下聚酯比尼龍的耐久性高190倍、比聚丙烯高570倍。在浮臺(tái)系泊系統(tǒng)中,要求纜繩具有較高強(qiáng)度和耐久性,因此纖維纜繩選擇聚酯纜。

        考慮到系泊鏈的重量對(duì)浮臺(tái)的重心有較大影響,因此在與浮臺(tái)連接處的系泊鏈不宜過長(zhǎng);同時(shí)為減小底部躺地鏈的長(zhǎng)度,達(dá)到更好的系泊效果,本文在底部使用配重來增加系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力。

        綜上所述,本系泊系統(tǒng)方案采用V型鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng),由浮臺(tái)、系泊纜、配重和錨固基礎(chǔ)組成:系泊纜采用組合纜由三段組成。第一段采用R3系泊鏈、直徑73 mm;第二段采用直徑128 mm的聚酯纜或者84 mm鋼纜;第三段采用R3系泊鏈、直徑95 mm。配重位于第三段系泊鏈中間,采用方形混凝土塊結(jié)構(gòu),重量為115 t;錨固基礎(chǔ)采用可翻轉(zhuǎn)的大抓力錨。系泊系統(tǒng)布置圖,如圖2所示。

        圖2 深水浮臺(tái)系泊系統(tǒng)布置

        3.4 系泊系統(tǒng)方案對(duì)比

        對(duì)兩種組合纜的方式以及有無配重進(jìn)行風(fēng)浪流同向下百年一遇工況的分析計(jì)算,其結(jié)果對(duì)比見表3。

        表3 系泊纜張力對(duì)比

        從表3可以看出:同等強(qiáng)度下聚酯纜方案的系泊張力明顯降低,系泊性能明顯優(yōu)于鋼纜方案,同時(shí)躺地段長(zhǎng)度較長(zhǎng)、安全性更好;增加配重,首系泊鏈、聚酯纜的張力有所提高,但尾系泊鏈的張力有所下降,同時(shí)躺地段的長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng)。因此本系泊系統(tǒng)選用聚酯纜和系泊鏈組合,增加配重。

        4 系泊系統(tǒng)安全性分析

        對(duì)設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的初期和末期浮臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了一年一遇和百年一遇的水動(dòng)力分析,以評(píng)估系泊系統(tǒng)的安全性。由于該系泊系統(tǒng)上部使用V型鏈設(shè)計(jì),各海況計(jì)算分析中的風(fēng)浪同向且取不同的環(huán)境載荷方向而流向固定。

        4.1 設(shè)計(jì)壽命初期計(jì)算分析

        本系泊系統(tǒng)由于是單點(diǎn)系泊,在環(huán)境力作用下容易發(fā)生縱蕩和橫蕩,且這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)浮臺(tái)的工作狀態(tài)以及安全性沒有特別影響,因此本文僅考核浮臺(tái)的垂蕩、橫搖和縱搖位移。其浮臺(tái)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算結(jié)果見表4(統(tǒng)計(jì)結(jié)果為有義值),系泊纜張力結(jié)果見表5。

        表4 設(shè)計(jì)壽命初期浮臺(tái)位移情況

        表5 設(shè)計(jì)壽命初期系泊纜張力

        從表4可以看出,在百年一遇工況下,浮臺(tái)的垂蕩達(dá)7.25 m、橫搖19.58°、縱搖9.32°。根據(jù)規(guī)范要求[6],采用動(dòng)力分析方法進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),系泊纜安全系數(shù)應(yīng)大于1.67。從表5可知,Φ73 mm錨鏈最大張力為1 216 kN、安全系數(shù)為2.52;聚酯纜最大張力為1 798 kN、安全系數(shù)為3.06;Φ95 mm錨鏈最大張力為1 014 kN、安全系數(shù)為4.07。由此可知,該系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

        4.2 設(shè)計(jì)壽命末期計(jì)算分析

        系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為20年,在設(shè)計(jì)壽命末期應(yīng)考慮系泊鏈的腐蝕,R3系泊鏈按直徑每年減少0.3 mm考慮。本文采用如下數(shù)值進(jìn)行百年一遇典型工況的末期校核計(jì)算:第一段采用R3系泊鏈、直徑66 mm;第二段采用聚酯纜、直徑128 mm;第三段采用R3系泊鏈、直徑87 mm。

        表6 設(shè)計(jì)壽命末期系泊纜張力

        從表6可以看出,在設(shè)計(jì)壽命末期,Φ73 mm錨鏈最大張力為1 263 kN、安全系數(shù)為1.89;聚酯纜最大張力為1 952 kN、安全系數(shù)為2.28;Φ95 mm錨鏈最大張力為1 188 kN、安全系數(shù)為3.23。由此可知,安全系數(shù)均大于1.67,滿足規(guī)范要求。由于考慮障了系泊鏈的腐蝕余量,重量明顯變輕,因此躺地鏈的長(zhǎng)度明顯變短。

        5 結(jié)論

        本文采用OrcaFlex對(duì)深水浮臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算分析,并得到如下結(jié)論:

        (1)浮臺(tái)一般具有小水線面,在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮系泊鏈對(duì)其重心的影響;

        (2)聚酯纜與鋼纜、錨鏈相比,重量輕、彈性大,在深水系泊中可以有效減小系泊纜重量、降低系泊纜受力;

        (3)配重可以提高系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力,但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)同時(shí)考慮配重對(duì)系泊系統(tǒng)的安裝影響。

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