蔡 靈，柏洪濤

（1. 南通中遠海運船務工程有限公司 海工與新能源研發(fā)中心，江蘇南通 226006；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

標準型半潛生活平臺的主要功能是輔助其他鉆井類或生產(chǎn)類平臺，為作業(yè)人員提供生活居住設施，或為其他平臺儲運物資補給。標準型半潛生活平臺需要在世界不同海域進行平臺自身系泊定位，以及與其他不同類型的生產(chǎn)平臺進行聯(lián)合靠泊等不同形式的海上作業(yè)。標準型半潛生活平臺的系泊系統(tǒng)應滿足相應的作業(yè)定位要求，并且還需要適應不同海域的作業(yè)水深和海域環(huán)境條件。標準型半潛生活平臺系泊系統(tǒng)為了避開生產(chǎn)平臺的系泊系統(tǒng)和復雜的海底管線，一般采用非對稱的系泊形式。本文采用時域全耦合分析方法對平臺運動響應進行分析，并對錨泊系統(tǒng)進行設計。

1 平臺基本參數(shù)

標準型半潛式生活平臺由4個方形立柱和2個浮筒組成，采用8點錨泊系統(tǒng)，平臺側(cè)視圖及局部坐標系定義見圖1，標準型平臺主尺度取值情況見表1。

表1 標準型平臺主尺度

圖1 標準型半潛式生活平臺建模圖

1.2 研究區(qū)域環(huán)境條件基本參數(shù)

1.2.1 工作水深

標準型半潛生活平臺所處海域工作水深為1 500 m。

1.2.2 流荷載

標準型半潛生活平臺的試驗流速

V

及模擬海況見表2。

表2 試驗流速（全尺度）

標準型半潛生活平臺受到的流載荷(

F

,

F

)及作用中心(

C

,

C

,

C

)通過風洞試驗數(shù)據(jù)計算得到（見表3）。由于標準型平臺呈軸對稱，故流向取為0°、45°和90°其作用中心坐標相對于平臺基線定義。

表3 標準型流載荷大小及作用中心

1.2.3 風荷載

標準型半潛生活平臺的試驗流速

V

及模擬海況見表4。標準型半潛生活平臺受到的風載荷(

F

,

F

)及作用中心(

C

,

C

,

C

)通過風洞試驗數(shù)據(jù)計算得到（見表5）。

表4 試驗風速（全尺度）

表5 標準型風載荷大小及作用中心

1.2.4 波浪

根據(jù)指定的有義波高、峰譜周期和波譜，對不規(guī)則波進行模擬。試驗使用JONSWAP波浪譜，譜密度函數(shù)為

式中：

S

為波浪譜的譜密度函數(shù)；

α

為無因次常數(shù)；

H

為有義波高；

γ

為譜峰因子；

f

為波浪頻率；

T

為譜峰周期；

σ

為譜峰形狀參數(shù)。每一個不規(guī)則波的持續(xù)時間為3 h，保證縱蕩、橫蕩和艏搖方向上的低頻運動有足夠的循環(huán)次數(shù)，實測有義波高

H

和峰譜周期

T

的誤差應不超過理論值的3%，峰值譜密度誤差應不超過5%，除波浪譜的尾部高頻區(qū)域外，其它頻率的譜密度誤差應在理論值的20%以內(nèi)。波浪條件見表6。

表6 波浪條件

2 非對稱錨泊系統(tǒng)設計

本文采用以水動力性能分析為基礎，建立的半潛式平臺系泊系統(tǒng)模型，并采用勢流理論分析計算波浪載荷，運用ECAT和NLID卡片模擬錨鏈的動態(tài)運動。通過研究平臺的相對位移來分析不同非對稱錨泊系統(tǒng)的特征。標準型半潛生活平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)，將API-RP-2SM規(guī)范作為參考依據(jù)，系泊系統(tǒng)由8根系纜組成，為4×2布置形式，定位錨索的編號從1～8進行變化。其中，1號和4號錨泊線與

x

軸的夾角為35°，5號和8號錨泊線與

x

軸的夾角為42.5°，相鄰2根錨泊線之間的夾角為5°（見圖 2）。每根纜繩為鋼絲繩-錨鏈兩段式，系泊初始參數(shù)見表7，纜繩材料參數(shù)見表8，不同位置處系泊纜的長度見表 9，纜繩導纜孔及錨點坐標見表10，其中導纜孔坐標和錨點坐標相對于標準型支持平臺局部坐標系建立。

表7 標準型支持平臺系泊纜初始參數(shù)（全水深）

表8 標準型支持平臺系泊纜材料參數(shù)（全水深）

表9 標準型支持平臺系泊纜不同位置下的長度（全水深）

表10 導纜孔坐標和錨點坐標

圖2 標準型支持平臺非對稱系泊系統(tǒng)

3 標準型半潛生活平臺錨泊系統(tǒng)數(shù)值計算

3.1 錨泊系統(tǒng)整體工況

標準型平臺中心初始位置位于原點，平臺沿著

y

軸正方向逐漸移動，改變平臺的位置，而其他條件不變，研究平臺非對稱系泊方式的特點。。

在非對稱系泊系統(tǒng)狀態(tài)下，對平臺錨鏈張力和平臺響應進行研究。位置變化取3種不同變化量，分別計算平臺各運動情況（見表11）。

表11 深水半潛式支持平臺工況表

3.2 錨泊系統(tǒng)計算

3.2.1 錨鏈張力分析與計算

在0°浪向上，錨鏈3～錨鏈6主要受力；在45°浪向上，錨鏈3～錨鏈6為主要受力；在90°浪向上，錨鏈1～錨鏈4為主要受力。

1）對于 0°浪向下的較短錨鏈部分，錨鏈最大張力出現(xiàn)在位置移動500 m時的錨鏈5上，最大張力為4.21×10N，安全系數(shù)為1.53，滿足設計要求；如表12所示，錨鏈逐漸增長的部分最大錨鏈拉力逐漸減少，最大值為4.16×10N。

表12 0°浪向不同平臺位置下標準型平臺錨鏈最大張力（單位：N）

0°浪向下錨鏈最大張力隨平臺移動距離變化的情況如圖3所示，在移動距離為300 m時達到最小值。

圖3 0°浪向最大錨鏈張力隨平臺移動距離變化情況

2）45°浪向下，對于較長錨鏈部分，錨鏈最大張力出現(xiàn)在位置移動0 m的錨鏈4上，最大張力為4.32×10N，安全系數(shù)為1.48，滿足設計要求；錨鏈較短部分的錨鏈最大張力逐漸增加，最大值發(fā)生在5號錨鏈上，最大值為4.09×10N，具體見表13。45°浪向下錨鏈最大張力隨平臺移動距離變化的情況如圖4所示，錨鏈最大張力隨平臺移動距離的增大逐漸變小。

表13 45°浪向不同平臺位置下標準型平臺錨鏈最大張力（單位：N）

圖4 45°浪向最大錨鏈張力隨平臺移動距離變化情況

3）90°浪向下，對于較長錨鏈部分，錨鏈最大張力出現(xiàn)在位置改變90 m的錨鏈3上，最大張力為3.86×10N，安全系數(shù)為1.67，滿足設計要求；而對于較短錨鏈部分，最大值出現(xiàn)在錨鏈5上，錨鏈張力逐漸增加，最大值為3.80×10N，見表14。

表14 90°浪向不同平臺間隔下標準型平臺錨鏈最大張力（單位：N）

90°浪向下錨鏈最大張力隨平臺移動距離變化的情況如圖5所示，錨鏈最大張力在平臺移動距離為400 m時達到最小值。

圖5 90°浪向下不同平臺位置最大錨鏈張力變化圖

3.2.2 6自由度運動響應

1）0°浪向

橫蕩（Sway）的最大值出現(xiàn)在LC1，最大值為73.54 m，最小值為72.94 m。橫搖（Roll）的最大值出現(xiàn)在LC1，最大值為1.112 m，最小值為1.044 m，而其余的自由度變化較小，具體見表15。0°浪向下橫蕩（Sway）和橫搖（Roll）最大值呈不斷下降的趨勢，具體見圖6。

表15 標準型平臺6自由度響應

圖6 0°浪向下不同平臺位置橫蕩和橫搖最大值變化圖

2）45°浪向

橫蕩（Sway）的最大值出現(xiàn)在LC6，最大值為117.8 m，最小值為100.4 m。橫搖（Roll）的最大值出現(xiàn)在LC6，最大值為3.107 m，最小值為0.756 7 m，而其余的自由度變化較小，具體見表16。

表16 標準型平臺6自由度響應

45°浪向下橫蕩（Sway）和橫搖（Roll）最大值呈不斷下降的趨勢，具體見圖7。

圖7 45°浪向不同平臺位置橫蕩和橫搖最大值變化圖

3）90°浪向

橫蕩（Sway）的最大值出現(xiàn)在 LC11，最大值為95.82 m，最小值為86.77 m。橫搖（Roll）的最大值出現(xiàn)在 LC12，最大值為 3.464 m，最小值為1.107 m，而其余的自由度變化較小，具體見表18。

表18 標準型平臺6自由度響應

90°浪向下橫蕩最大值呈不斷下降的趨勢，橫搖最大值在平臺位置移動90 m以下時呈增大的趨勢，90 m處有最大值，在90 m以上處于不斷減小趨勢，具體見圖8。

圖8 90°浪向不同平臺位置橫蕩和橫搖最大值變化圖

4 結(jié)論

通過對標準型半潛生活平臺非對稱錨泊系統(tǒng)進行時域分析，得出標準型平臺在不同非對稱系泊狀態(tài)下，各個工況的錨鏈最大張力均能夠滿足設計要求的結(jié)論；錨鏈最大張力為4.32×10N。經(jīng)過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著錨鏈布置的非對稱性突出，錨鏈的張力變化較為明顯，特別是錨鏈的較短部分，錨鏈張力明顯增加，而隨著錨鏈增長錨鏈的最大張力增加，由于工作環(huán)境條件較柔和，錨鏈張力變化幅度不是太明顯，變化量約為10%。此外，在不同的非對稱形錨泊系統(tǒng)工況中，平臺的運動變化非常明顯，變化量可達60%～80%，由此可見，非對稱系泊對平臺的運動性能影響非常顯著。希望本研究結(jié)果能對標準型半潛生活平臺非對稱系泊系統(tǒng)的設計有一定的指導意義。