(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

常規(guī)深水油氣開(kāi)發(fā)設(shè)施有浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)、張力腿平臺(tái)(TLP)、半潛平臺(tái)(SEMI)及深吃水立柱平臺(tái)(SPAR)等[1]，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以完成FPSO及半潛平臺(tái)這2種浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)建造工作，以半潛平臺(tái)作為研究對(duì)象，針對(duì)其碼頭調(diào)試期間臨時(shí)系泊問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬等方式，探索常規(guī)海況及極限海況下利用現(xiàn)有資源進(jìn)行半潛平臺(tái)系泊方案設(shè)計(jì)的方法，對(duì)其中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，制定應(yīng)對(duì)措施。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

與常規(guī)船舶碼頭系泊相比，半潛平臺(tái)碼頭系泊具有特殊性：①平臺(tái)各個(gè)方向受風(fēng)面積均較大，對(duì)纜繩布置要求更高[2]；②平臺(tái)靠岸一側(cè)立柱或者旁通上可能存在設(shè)備結(jié)構(gòu)，不能直接與碼頭相靠，需要設(shè)置隔離駁等防撞設(shè)施；③如果平臺(tái)調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)且不具備錨地避臺(tái)條件，需要特別設(shè)計(jì)平臺(tái)碼頭避臺(tái)方案，制定應(yīng)急措施。

半潛平臺(tái)船體信息見(jiàn)表1。

目前系泊碼頭水深為8.5 m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確認(rèn)碼頭岸吊與半潛平臺(tái)系纜區(qū)域有干涉，實(shí)際作業(yè)時(shí)需進(jìn)拆除移位。

針對(duì)半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊期間設(shè)計(jì)抵御環(huán)境條件能力，考慮風(fēng)速、波高、流速3方面因素。根據(jù)海域論證使用報(bào)告書(shū)，由于海西半島掩護(hù)，外海波浪不能直接傳入海西灣，只能折射或者繞射進(jìn)入，進(jìn)入灣內(nèi)的波浪最大波高H1/10為1.2～1.4 m。碼頭附近輪渡站流速為0.4 m/s，風(fēng)速需要綜合考慮常規(guī)風(fēng)速下作業(yè)系泊需求及極限工況下抗臺(tái)系泊需求，選取這2個(gè)典型工況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊環(huán)境條件見(jiàn)表2。

表1 半潛平臺(tái)船體基本信息 m

表2 臨時(shí)系泊環(huán)境條件

半潛平臺(tái)碼頭臨時(shí)系泊方案主要分為4個(gè)部分。

1)碼頭系泊能力評(píng)估及需求。

2)常規(guī)海況及極限海況臨時(shí)系泊方案設(shè)計(jì)。

3)臨時(shí)系泊系統(tǒng)所需設(shè)備或設(shè)施需求。

4)現(xiàn)場(chǎng)施工操作建議。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求及場(chǎng)地概況，整理設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊方案設(shè)計(jì)流程

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 環(huán)境載荷計(jì)算

2.1.1 波浪載荷

波浪為不規(guī)則波，時(shí)域下一階波浪力可以表示為

(1)

式中：h1(τ)為線性脈沖函數(shù)；ζ(t-τ)為波浪的自由液面。

由輻射勢(shì)引起的波浪力在時(shí)域中可按下式表示[3]。

(2)

式中：卷積*表示t時(shí)刻前由結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)引起的波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波浪力記憶效應(yīng)；ξ為物體運(yùn)動(dòng)；R(t)稱為時(shí)延函數(shù)，其與輻射勢(shì)頻域解關(guān)系為

(3)

式中：C(ω)為波浪阻尼系數(shù)。

2.1.2 風(fēng)載荷

采用國(guó)際海事論壇OCIMF推薦的風(fēng)力公式，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取風(fēng)力系數(shù)計(jì)算風(fēng)載荷，如式(4)～(6)所示[4]，將軟件風(fēng)力計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)軟件模型各方向輸入風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行校正，保證軟件風(fēng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)相一致。

(4)

(5)

(6)

式中：CXW、CYW為X、Y方向上風(fēng)力系數(shù);CXYW為風(fēng)力矩系數(shù);VW為風(fēng)速；AT、AL和LBP分別為船舶橫向受風(fēng)面積，縱向受風(fēng)面積和垂線間長(zhǎng)。

2.1.3 流載荷

利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)軟件模型計(jì)算的流載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，流載荷計(jì)算為

(7)

(8)

(9)

式中：CXC、CYC為X、Y方向流力系數(shù)；CXYC為流力矩系數(shù)；VC為流速；T為船體吃水。

2.2 系泊纜計(jì)算模型

半潛平臺(tái)船體在風(fēng)浪流等環(huán)境力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，系泊纜繩受船體運(yùn)動(dòng)影響發(fā)生變形產(chǎn)生張力，纜繩張力與變形關(guān)系并非簡(jiǎn)單線性關(guān)系，采用Wilson公式進(jìn)行計(jì)算[5-6]。

(10)

式中：CP為彈性系數(shù)；d為纜繩直徑；ε為纜繩應(yīng)變；m為指數(shù)。

2.3 橡膠護(hù)舷模擬

船體與隔離駁之間通過(guò)橡膠護(hù)舷壓縮吸能降低兩者碰撞力，保護(hù)船體結(jié)構(gòu)，橡膠護(hù)舷剛度具有非線性，見(jiàn)圖2。

圖2 隔離駁橡膠護(hù)舷剛度

橡膠護(hù)舷受力由下式計(jì)算[7]。

(11)

式中：K為護(hù)舷彈性系數(shù)；ΔL/L為護(hù)舷相對(duì)變形。

3 臨時(shí)系泊方案設(shè)計(jì)方案

由于碼頭海域內(nèi)波高及流速較小，半潛平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及受力主要受風(fēng)載荷影響，根據(jù)風(fēng)速將臨時(shí)系泊方案劃分為常規(guī)方案(6～8級(jí)風(fēng))及極限方案(10～12級(jí)風(fēng))。常規(guī)方案下需要在系泊中間區(qū)域預(yù)留一定操作空間，便于碼頭設(shè)備機(jī)械出入調(diào)試，風(fēng)速增加時(shí)，各方案纜繩布置需保持連續(xù)性，通過(guò)增連纜繩抵抗惡劣環(huán)境條件，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。取6級(jí)風(fēng)及12級(jí)風(fēng)2個(gè)典型方案進(jìn)行分析。

半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊坐標(biāo)系及環(huán)境情況見(jiàn)圖3，BCS為碼頭地錨坐標(biāo)系，水平原點(diǎn)X及Y軸位于最左端A系纜柱中心處，垂向原點(diǎn)始于海圖基準(zhǔn)面，半潛平臺(tái)中心點(diǎn)X向距離A柱170 m，Y向?yàn)?9.87 m，船體坐標(biāo)系HCS原點(diǎn)位于船底形心處。

圖3 半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊坐標(biāo)系及環(huán)境情況示意

碼頭前沿系纜柱除A柱安全工作載荷SWL為2 000 kN外，其余纜繩所連接碼頭前沿系纜柱安全工作載荷為1 000 kN，碼頭后沿所有系纜柱安全工作載荷均為2 000 kN。

3.1 半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊常規(guī)方案(6級(jí)風(fēng))

常規(guī)海況臨時(shí)系泊方案見(jiàn)圖4，共連接13根纜繩，采用超高分子量聚乙烯I型纜繩，參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 臨時(shí)系泊纜繩參數(shù)

圖4 常規(guī)海況臨時(shí)系泊方案(6級(jí)風(fēng))

6級(jí)風(fēng)速下破斷風(fēng)險(xiǎn)可控，僅統(tǒng)計(jì)完整狀態(tài)下不同流向及高低潮位受力最大值，受力結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 常規(guī)海況下纜繩受力最大值統(tǒng)計(jì)(6級(jí)風(fēng))

由表4可知，6級(jí)風(fēng)速下，該方案纜繩受力較小，纜繩受力最大值僅為401.8 kN，約為10%破斷力，系泊方案滿足規(guī)范要求[8]。

3.2 半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊極限方案(12級(jí)風(fēng))

以6級(jí)風(fēng)速下臨時(shí)系泊方案作為基本方案，隨著風(fēng)速增加，系泊方案所需纜繩隨之增加，方案設(shè)計(jì)中避免在高風(fēng)速下解脫纜繩操作，因此,每個(gè)風(fēng)級(jí)系泊方案在前方案基礎(chǔ)上增連系泊纜，保障施工安全，見(jiàn)圖5，12級(jí)風(fēng)速下臨時(shí)系泊方案共系有19根纜繩，各風(fēng)級(jí)對(duì)應(yīng)的纜繩變化可見(jiàn)。

圖5 半潛平臺(tái)臨時(shí)系泊極限方案(12級(jí)風(fēng))

模擬臨時(shí)系泊極限海況方案見(jiàn)圖6。

圖6 極限海況臨時(shí)系泊計(jì)算模型

隔離駁由于尺寸及受力較小，并由現(xiàn)場(chǎng)系泊于其他系纜柱上(圖中未體現(xiàn))，可在軟件中進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，模擬為僅受壓非線性彈簧。在離岸風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)從平臺(tái)陸地一側(cè)吹來(lái)，波浪作用并不明顯，而沿岸風(fēng)對(duì)系泊纜繩影響最大[9-10]，碼頭由于半島遮蔽，同時(shí)碼頭沿線建造時(shí)平行于波流方向，計(jì)算中將風(fēng)向作為主控因素進(jìn)行360°全范圍輸入，將波浪和海流簡(jiǎn)化處理為0°和180°方向，計(jì)算統(tǒng)計(jì)完整工況及破斷工況纜繩最大受力見(jiàn)表5。

完整工況下纜繩最大受力為1 490 kN，破斷工況下纜繩最大受力為1 823 kN，安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。表5中數(shù)據(jù)顯示纜繩MR10受力較大，該編號(hào)纜繩長(zhǎng)度較短，同方向纜繩在船體運(yùn)動(dòng)拉伸作用下伸長(zhǎng)率更高，故受力較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在受力較大纜繩方向上布置短纜繩。

極限海況下除了需要校核纜繩及受力系纜柱受力之外，為保證系泊安全，還需評(píng)估平臺(tái)觸底風(fēng)險(xiǎn)、隔離駁與立管保護(hù)架碰撞風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)定義各立柱角陽(yáng)極最低點(diǎn)位置，在時(shí)域計(jì)算中統(tǒng)計(jì)其最低點(diǎn)，獲取船底與海底泥面最小間隙，垂向間隙觀察點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。

表5 完整工況及破斷工況纜繩最大受力(12級(jí)風(fēng))

圖7 各立柱角垂向間隙觀察點(diǎn)位置

正浮靜止?fàn)顟B(tài)下，各個(gè)立柱角陽(yáng)極最低點(diǎn)位置為-10.45 m(BCS坐標(biāo)系)，統(tǒng)計(jì)360°風(fēng)向作用下動(dòng)力計(jì)算各點(diǎn)最低位置見(jiàn)表6。

表6 動(dòng)力計(jì)算立柱角陽(yáng)極最低點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)(正浮)

表6數(shù)據(jù)顯示,立柱北側(cè)在風(fēng)力作用下傾斜角度較大，西北側(cè)立柱最低點(diǎn)為-14.8 m，碼頭預(yù)計(jì)清淤水深15.5 m，僅由0.7 m間隙，為增加船底與海底泥面凈間隙，通過(guò)對(duì)比計(jì)算，可以在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前調(diào)整船體浮態(tài)，使平臺(tái)繞水線面W-E軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)0.3°，見(jiàn)圖8。

圖8 臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下船體浮態(tài)調(diào)整示意

調(diào)整浮態(tài)后，統(tǒng)計(jì)360°風(fēng)向作用下動(dòng)力計(jì)算各點(diǎn)最低位置見(jiàn)表7。

表7 動(dòng)力計(jì)算立柱角陽(yáng)極最低點(diǎn)位置統(tǒng)計(jì)(傾斜)

統(tǒng)計(jì)顯示，通過(guò)預(yù)調(diào)整船體浮態(tài)，可以有效增加船底與海底間隙，保障系泊安全。

在隔離駁與船體接觸靠近立管保護(hù)架一側(cè)定義水平運(yùn)動(dòng)觀察點(diǎn)，見(jiàn)圖9。

圖9 水平觀察點(diǎn)位置示意

時(shí)域計(jì)算水平觀察點(diǎn)與立管保護(hù)架最小水平間距結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 水平觀察點(diǎn)與立管保護(hù)架最小水平間距

隔離駁與立管保護(hù)架水平間隙時(shí)域計(jì)算結(jié)果最小值為4.73 m，滿足安裝需求。

4 臨時(shí)系泊操作建議

半潛平臺(tái)各方向受風(fēng)面積較大，碼頭臨時(shí)系泊纜繩選取及布置應(yīng)與極限海況方案相匹配，從低風(fēng)速方案至高風(fēng)速方案變化應(yīng)盡量避免解脫纜繩操作，保證各方案具有連續(xù)性。極限海況作用下針對(duì)立柱角間隙不足可以通過(guò)調(diào)整船體浮態(tài)進(jìn)行改善。

針對(duì)碼頭系泊纜繩交叉可能產(chǎn)生磨損，可以在纜繩易摩擦位置覆蓋保護(hù)套，定期檢查更換。

潮汐變化對(duì)纜繩長(zhǎng)度影響通?？梢允褂美|繩長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備，或使用纜繩受力監(jiān)測(cè)設(shè)備及時(shí)對(duì)受力較大纜繩進(jìn)行人工調(diào)整。若不具備上述條件，則需每日定時(shí)多次巡檢，通過(guò)纜繩張緊狀態(tài)及時(shí)調(diào)整纜繩長(zhǎng)度。

半潛平臺(tái)碼頭臨時(shí)系泊設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工受限因素較多，需設(shè)計(jì)方與現(xiàn)場(chǎng)時(shí)時(shí)溝通，將理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)交叉優(yōu)化得到最終可實(shí)施方案。