朱紹宇 張世富 張冬梅 許 紅 張 玉

（中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心）

隨著海洋資源開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的工作需要在海上直接完成，各類(lèi)海上作業(yè)往往通過(guò)搭建漂浮平臺(tái)進(jìn)行，它給工作人員和設(shè)施設(shè)備提供了一個(gè)安全、穩(wěn)定的環(huán)境［1，2］。目前，應(yīng)用較多的海上平臺(tái)主要有大型浮動(dòng)平臺(tái)和架構(gòu)式小型平臺(tái)［3］，大型浮動(dòng)平臺(tái)由于尺寸較大，能夠很大程度上抗拒海浪波動(dòng)，例如浮式海上飛機(jī)場(chǎng)、海洋鉆井平臺(tái)及海上風(fēng)力機(jī)平臺(tái)等；架構(gòu)式小型平臺(tái)依托固定于海底的支架，往往架設(shè)在近海，限制了它的使用水深。而在一些特定的小規(guī)模作業(yè)場(chǎng)景，要求平臺(tái)既能克服大型浮動(dòng)平臺(tái)笨重的缺點(diǎn)，又能克服架構(gòu)式平臺(tái)只能在淺水安裝的不足，于是小型浮動(dòng)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。小型浮動(dòng)平臺(tái)相比大型浮動(dòng)平臺(tái)尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由漂浮裝置、工作平臺(tái)和系泊系統(tǒng)組成，雖然穩(wěn)定性不如上述兩種平臺(tái)，但是在特定作業(yè)場(chǎng)景也可以達(dá)到穩(wěn)定性要求，并且兼具快速安裝/撤收、成本低等優(yōu)點(diǎn)。輕便型岸灘油料補(bǔ)給系統(tǒng)［4］要用到一種漂浮平臺(tái)，起到轉(zhuǎn)接漂浮鋼制管線(xiàn)和油船受加油軟管并且固定節(jié)點(diǎn)的作用，為此結(jié)合小型浮動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)了漂浮轉(zhuǎn)接平臺(tái)。

近年來(lái)，海洋工程眾多領(lǐng)域?qū)W者對(duì)海上漂浮平臺(tái)進(jìn)行了研究，借助水動(dòng)力軟件和波浪荷載理論分別針對(duì)應(yīng)用實(shí)際進(jìn)行了深入探索。在海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，張立軍等根據(jù)勢(shì)流理論對(duì)漂浮式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)增加垂蕩架進(jìn)行了水動(dòng)力數(shù)值仿真，結(jié)果表明垂蕩架對(duì)抑制運(yùn)動(dòng)響應(yīng)效果明顯［5］；黃致謙等運(yùn)用AQWA軟件分別對(duì)一種新型張力腿平臺(tái)漂浮式風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)半潛式平臺(tái)加垂蕩板，進(jìn)行了不同海況、不同系泊方式和不同模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比研究［6，7］。在石油開(kāi)采領(lǐng)域，袁培銀對(duì)深水半潛式鉆井平臺(tái)分別使用HydroD軟件和DeepC軟件進(jìn)行頻域和時(shí)域計(jì)算，分析了平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)的受力特性，并考慮一根系泊纜斷裂的情況下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力特性［8］。在海洋探測(cè)領(lǐng)域，楊大偉等對(duì)一種用于海上觀測(cè)的海上浮臺(tái)進(jìn)行了系泊方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用AQWA軟件對(duì)設(shè)計(jì)的4種系泊方式分別進(jìn)行了時(shí)域分析［9］。在軍事領(lǐng)域，李珂翔考慮多浮體之間的流場(chǎng)耦合，基于頻域勢(shì)流理論建立浮式單元陣列簡(jiǎn)化模型并求解其水動(dòng)力作用，優(yōu)化設(shè)計(jì)了多浮體組成的水面無(wú)人平臺(tái)［10］。

筆者對(duì)所設(shè)計(jì)的漂浮轉(zhuǎn)接平臺(tái)利用ANSYS AQWA軟件進(jìn)行頻域下的幅值響應(yīng)算子和不同系泊方式、不同海況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的系泊方式，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)接平臺(tái)性能是否符合要求，并通過(guò)分析以期對(duì)實(shí)際安裝應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

1 理論背景

1.1 運(yùn)動(dòng)方程

轉(zhuǎn)接平臺(tái)相對(duì)于平衡位置做搖蕩運(yùn)動(dòng)，由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以得到在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)方程：

式中 Fz——主要考慮風(fēng)、浪、流的外部荷載；

k——靜水恢復(fù)力矩陣；

M——轉(zhuǎn)接平臺(tái)質(zhì)量矩陣；

m——附加質(zhì)量矩陣；

x——幅值響應(yīng)算子；

μ——附加阻尼矩陣。

1.2 環(huán)境載荷

1.2.1 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷的影響因素主要包括：結(jié)構(gòu)物承受的風(fēng)壓、受壓面積、風(fēng)場(chǎng)中的位置及受結(jié)構(gòu)物形狀影響的擋風(fēng)效果等。

風(fēng)載荷Ff的計(jì)算公式為：

式中 C1——暴露在風(fēng)中結(jié)構(gòu)物的形狀系數(shù)；

C2——暴露在風(fēng)中結(jié)構(gòu)物的高度系數(shù)；

Pf——基本風(fēng)壓；

S——結(jié)構(gòu)物與風(fēng)作用方向垂直的擋風(fēng)面積；

vf——設(shè)計(jì)風(fēng)速［11］。

根據(jù)上述公式，在風(fēng)速達(dá)到26 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)接平臺(tái)受到的風(fēng)載荷最大為306 N，由于與波浪載荷相比過(guò)小，因此忽略風(fēng)載荷的影響。

1.2.2 波浪載荷

轉(zhuǎn)接平臺(tái)在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，時(shí)刻受到波浪的作用，通常使用三維線(xiàn)性勢(shì)流理論研究大尺度結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)，有如下假設(shè)：流體為理想流體，不可壓縮并忽略表面張力，運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋的，存在速度勢(shì)，波浪為微幅波，水底為光滑的水平壁面，水深為常數(shù)，水中沒(méi)有流［12］。

速度勢(shì)Φ在整個(gè)流域內(nèi)滿(mǎn)足質(zhì)量連續(xù)性方程：

并且速度勢(shì)還應(yīng)滿(mǎn)足底部條件、自由面條件、物面條件及遠(yuǎn)方條件等邊界條件。流場(chǎng)中總的速度勢(shì)是由入射波速度勢(shì)、繞射勢(shì)和輻射勢(shì)疊加而成的，即：

式中 ΦD——繞射勢(shì)，表示結(jié)構(gòu)物對(duì)流場(chǎng)速度勢(shì)的影響；

ΦI——入射波勢(shì)，表示流場(chǎng)中速度分布情況，但不考慮入射波對(duì)流場(chǎng)的影響；

ΦR——輻射勢(shì)，表示結(jié)構(gòu)物6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和振蕩對(duì)流場(chǎng)的影響。

求得速度勢(shì)Φ（x，y，z，t）后，流場(chǎng)內(nèi)的任一點(diǎn)壓力可由伯努利方程給出，再通過(guò)求解壓力分布函數(shù)得到作用在浮體上的荷載。

轉(zhuǎn)接平臺(tái)濕表面的水動(dòng)壓力p、波浪力Fw和力矩MW可以表示為：

s——單元面積；

SB——平臺(tái)濕表面；

ρ——海水密度。

1.2.3 流載荷

由于近岸流的流速和方向周期變化緩慢，海底流速接近于零，一般在計(jì)算流荷載時(shí)將海流當(dāng)作穩(wěn)定流動(dòng)來(lái)處理，認(rèn)為海流對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用力只有拖曳力Fc，其表達(dá)式為：

式中 Cd——阻力系數(shù)；

d z——沿高度的積分；

h——水深；

S′——結(jié)構(gòu)物在與海流垂直平面上的投影面積；

vc——海水流速［11］。

2 研究對(duì)象及性能要求

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

輕便型岸灘油料補(bǔ)給系統(tǒng)（圖1）是一種為近岸油船收發(fā)油料的液貨輸轉(zhuǎn)裝備，使用漂浮鋼制管線(xiàn)進(jìn)行油料輸轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中的漂浮轉(zhuǎn)接平臺(tái)是漂浮鋼制管線(xiàn)與油船的過(guò)渡轉(zhuǎn)接平臺(tái)，也是鋼制管線(xiàn)在海上的固定支點(diǎn)。

圖1 輕便型岸灘油料補(bǔ)給系統(tǒng)示意圖

漂浮轉(zhuǎn)接平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成主要包括：球鉸接頭、旋轉(zhuǎn)接頭、球閥、操作平臺(tái)及浮筒等，其示意圖如圖2所示。

圖2 漂浮式轉(zhuǎn)接平臺(tái)示意圖

轉(zhuǎn)接平臺(tái)各部分的功能［13］分別為：

a.操作平臺(tái)。采用四片扇形頁(yè)拼接而成，為管線(xiàn)的安裝和球閥控制提供平臺(tái)。

b.旋轉(zhuǎn)接頭。與油船受加油軟管連接，采用90°彎頭形式，可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部為通體式結(jié)構(gòu)，保證清管球順利通過(guò)。

c.球閥。用于在危險(xiǎn)情況下的緊急控制，防止泄漏等情況發(fā)生。

d.球鉸接頭。漂浮鋼管連接一段軟管后與球鉸接頭柔性連接，在保證清管球順利通過(guò)的前提下，可沿軸線(xiàn)45°擺動(dòng)，360°旋轉(zhuǎn)。

e.浮筒。為轉(zhuǎn)接平臺(tái)提供浮力，外層為鋼板，內(nèi)部填充泡沫，保證平臺(tái)遭海水腐蝕、撞擊或者武器損傷后仍能有效工作。為了降低平臺(tái)重心，在浮筒下部增加配重，可采用外掛方式，也可以在桶內(nèi)下部填充重物，文中按照桶內(nèi)填充水泥配重的方式計(jì)算。

具體參數(shù)如下：

平臺(tái)總重 1 172 kg

浮筒外徑 0.96 m

浮筒高 0.696 m

水泥配重 395 kg

為了保證平臺(tái)的穩(wěn)定性，4個(gè)浮筒繞轉(zhuǎn)接接頭的軸線(xiàn)等距對(duì)稱(chēng)布置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)接平臺(tái)框架尺寸示意圖

2.2 模型及坐標(biāo)系

考慮到模型結(jié)構(gòu)會(huì)影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和復(fù)雜度，從而影響計(jì)算的精度和時(shí)間，實(shí)際計(jì)算中需要對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。轉(zhuǎn)接平臺(tái)上部的操作平臺(tái)和接頭部分受到的載荷主要為風(fēng)載荷，而風(fēng)載荷由于數(shù)值太小可被忽略，所以將轉(zhuǎn)接平臺(tái)上部的操作平臺(tái)、接頭部分質(zhì)量等效到浮筒上進(jìn)行簡(jiǎn)化。以水線(xiàn)面中心為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。計(jì)算模型和坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 模型和坐標(biāo)系示意圖

2.3 性能要求

海上浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)要充分考慮波流作用，以保證其穩(wěn)定性和安全性，避免因穩(wěn)定性較差而猛烈搖蕩、因載荷過(guò)大而傾覆甚至拉斷纜繩或走錨［14，15］。根據(jù)轉(zhuǎn)接平臺(tái)的實(shí)際用途，性能要求如下：

a.轉(zhuǎn)接平臺(tái)性能要達(dá)到4級(jí)海況下生存，3級(jí)海況下輸油作業(yè)；

b.轉(zhuǎn)接平臺(tái)滿(mǎn)足穩(wěn)定、可靠?jī)煞矫嬉?，既滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)搖蕩幅值達(dá)到規(guī)定要求，又保證系泊安全；

c.在滿(mǎn)足要求a、b的前提下，盡量減小平臺(tái)的總體質(zhì)量和儲(chǔ)存體積，方便裝備的存儲(chǔ)和展開(kāi)、撤收。

3 結(jié)果分析

3.1 幅值響應(yīng)算子分析

幅值響應(yīng)算子（Response Amplitude Operator，RAO）是對(duì)應(yīng)單位波幅規(guī)則波每個(gè)頻率流過(guò)浮體引起的某個(gè)自由度幅值，反映了浮體每個(gè)自由度的波頻響應(yīng)。由于轉(zhuǎn)接平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式為繞z軸中心對(duì)稱(chēng)分布，研究波浪方向?qū)D(zhuǎn)接平臺(tái)的影響時(shí)，只需考慮0°到45°即可，選取0、15、30、45°共4個(gè)波浪方向進(jìn)行頻域幅值響應(yīng)算子的研究。當(dāng)作用的波浪方向小于45°時(shí)，橫蕩、垂蕩和橫搖3個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大，不同浪向的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如圖5所示，頻域仿真AQWA模型如圖6所示。

圖5 不同浪向頻域幅值響應(yīng)算子對(duì)比曲線(xiàn)

圖6 頻域仿真AQWA模型

從圖5可以看出，3個(gè)自由度有著不同的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化，但每個(gè)自由度都有對(duì)應(yīng)的峰值頻率。橫蕩方向上，幅值總體上隨著頻率和浪向角度的增加而減小，在浪向?yàn)?°時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值最大為7.026 m，峰值頻率為開(kāi)始點(diǎn)0.016 Hz。垂蕩方向上，4個(gè)浪向幅值隨頻率的變化規(guī)律基本一致，低頻段位移幅值均接近于單位波幅，這與實(shí)際情況相印證，當(dāng)頻率增加到某個(gè)數(shù)值時(shí)快速減小，但是在頻率減小的過(guò)程中，4個(gè)浪向均在頻率為0.660 Hz時(shí)出現(xiàn)幅值突增，其中0°浪向幅值最大達(dá)到2.456 m，考慮這是由于轉(zhuǎn)接平臺(tái)在該頻率發(fā)生共振造成的。橫搖方向上，4個(gè)浪向隨著頻率的增加幅值存在起伏，0°浪向峰值最大為11.411 m，峰值頻率0.374 Hz?？傮w而言，轉(zhuǎn)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)主要集中在低頻范圍內(nèi)，高頻范圍的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較??；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著浪向的增加而減小，0°浪向時(shí)的峰值最大，所以考慮轉(zhuǎn)接平臺(tái)的極限情況時(shí)應(yīng)選擇0°浪向。

3.2 不同系泊方式分析

通過(guò)對(duì)不同系泊方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，選擇合適的系泊方式。共設(shè)計(jì)了3種系泊方式，分別是一點(diǎn)系泊方式、四點(diǎn)系泊方式和八點(diǎn)系泊方式，選用的纜繩材料均為滌綸，纜繩直徑0.04 m，最大允許拉力240 kN，水深為20 m，以轉(zhuǎn)接平臺(tái)的生存海況4級(jí)浪進(jìn)行計(jì)算，4級(jí)浪的海況參數(shù)為有義波高2.5 m，波浪周期5.5 s，海流0.772 m/s。3種系泊方式的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1，具體系泊示意圖如圖7所示。

表1 3種系泊方式的詳細(xì)參數(shù)

圖7 系泊方式示意圖

實(shí)際海洋環(huán)境中浪和流的方向是隨機(jī)不固定的，為了最大限度地考察轉(zhuǎn)接平臺(tái)的性能，筆者在設(shè)定浪和流方向一致的極限情況下進(jìn)行計(jì)算。

在浪、流方向?yàn)?°時(shí)，轉(zhuǎn)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在橫蕩、垂蕩、橫搖3個(gè)自由度上最大，不同系泊方式分別在3個(gè)自由度上的對(duì)比曲線(xiàn)如圖8所示，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大值列于表2。

表2 不同系泊方式轉(zhuǎn)接平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大值

圖8 不同系泊方式運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比曲線(xiàn)

從圖8和表2可以看出，3種系泊方式在不同自由度上的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)差別不大，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值也非常接近，3種系泊方式的最大橫蕩為2.05 m，最大垂蕩為2.07 m，最大橫搖為11.45°，均對(duì)轉(zhuǎn)接平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了有效的約束，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)接平臺(tái)在生存海況下的要求。

每種系泊方式因浪、流方向影響，不同纜繩的受力存在差異，其中靠近來(lái)流方向一側(cè)的纜繩受力大，選取受力最大的纜繩計(jì)算它的拉力和起錨力，對(duì)比曲線(xiàn)如圖9所示，最大值列于表2。

圖9 不同系泊方式受力對(duì)比曲線(xiàn)

從圖9和表2中可以看出，一點(diǎn)系泊的纜繩拉力和起錨力分別達(dá)到了54 664 N和51 972 N，明顯高于四點(diǎn)系泊和八點(diǎn)系泊，這是由于一點(diǎn)系泊中只有一根纜繩和一個(gè)錨固點(diǎn)承受載荷，雖然纜繩安全系數(shù)為4.39，滿(mǎn)足安全條件，但是由于所需錨固力過(guò)大，需要大型錨或者海底固定裝置進(jìn)行錨固，不符合設(shè)計(jì)要求“便于展開(kāi)、撤收”的條件。

四點(diǎn)系泊和八點(diǎn)系泊相比，八點(diǎn)系泊的纜繩拉力和錨固力值均小于四點(diǎn)系泊，但是增加了1倍纜繩數(shù)量和錨固點(diǎn)的情況下，纜繩拉力和錨固力分別只減小了15.6%和23%，考慮到八點(diǎn)系泊運(yùn)動(dòng)響應(yīng)并沒(méi)有得到提升，并且四點(diǎn)系泊的起錨力最大值4 384 N滿(mǎn)足較小錨固的要求，因此四點(diǎn)系泊方式更加符合轉(zhuǎn)接平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。

3.3 不同海況分析

為了更加全面地考察轉(zhuǎn)接平臺(tái)的性能，分別對(duì)不同海況下的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，由3.2節(jié)可知四點(diǎn)系泊方式更加適合轉(zhuǎn)接平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，因此在四點(diǎn)系泊方式下分別對(duì)2級(jí)浪、3級(jí)浪、4級(jí)浪海況的平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，海況參數(shù)見(jiàn)表3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 海況參數(shù)

表4 不同海況下轉(zhuǎn)接平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大值

由表4可見(jiàn)，隨著海浪等級(jí)的增加，轉(zhuǎn)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、纜繩拉力和起錨力都有所增加，即使在最?lèi)毫拥?級(jí)海況下轉(zhuǎn)接平臺(tái)的系泊系統(tǒng)依然非?？煽?，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)接平臺(tái)在4級(jí)海況下生存的要求。在3級(jí)海況下轉(zhuǎn)接平臺(tái)的最大傾角為7.89°，而平臺(tái)的入水角為10.62°，其抗傾安全系數(shù)為1.346，而ABS和DNV規(guī)范規(guī)定漂浮式平臺(tái)抗傾安全系數(shù)1.3，且一般規(guī)定漂浮式平臺(tái)最大傾角小于10°［16］，所以轉(zhuǎn)接平臺(tái)在抗傾性能上符合要求；在橫蕩、垂蕩、纜繩受力和起錨力方面，與4級(jí)海況相比均明顯減小，遠(yuǎn)小于要求值，故在3級(jí)浪下該轉(zhuǎn)接平臺(tái)各項(xiàng)性能符合輸油作業(yè)的要求。在2級(jí)浪下轉(zhuǎn)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)非常小，平臺(tái)可穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

4.1 由頻域幅值響應(yīng)算子計(jì)算可見(jiàn)，轉(zhuǎn)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)主要集中在低頻區(qū)，且不同自由度上均存在峰值頻率。在垂蕩方向上，波浪與浮體固有頻率有共振現(xiàn)象產(chǎn)生，要減小運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可考慮采取措施避免共振。

4.2 由不同浪向的幅值響應(yīng)算子比較得到，0°浪向時(shí)轉(zhuǎn)接平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大，可見(jiàn)海上浮體因結(jié)構(gòu)特征存在極限浪向，在實(shí)際使用中盡量以45°浪向安裝，可以減小環(huán)境荷載。

4.3 綜合考慮纜繩受力和鋪設(shè)實(shí)際，四點(diǎn)系泊方式兼具安裝便捷和系泊可靠的優(yōu)點(diǎn)，更加符合轉(zhuǎn)接平臺(tái)設(shè)計(jì)要求。一點(diǎn)系泊方式可考慮在有海底固定錨泊裝置或有大型作業(yè)船的情況下使用。

4.4 通過(guò)計(jì)算不同海況下轉(zhuǎn)接平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可得，筆者所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接平臺(tái)各方面性能滿(mǎn)足4級(jí)海況下生存，3級(jí)海況下輸油作業(yè)的性能要求。