丁愛兵， 汪學鋒， 徐勝文

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240)

0 引 言

海洋平臺的定位技術是關系到其整體可用性和安全性的重要難題，是平臺設計與實際應用的關鍵技術之一。目前世界上常用的定位方式主要有系泊定位、動力定位和錨泊輔助動力定位等[1]。其中，系泊定位指海洋平臺通過系泊纜索系固在海底以保持平臺目標定位位置的定位方式，其在淺水環(huán)境中使用范圍較廣，是一種較為傳統(tǒng)、成熟的定位方式。本文所研究的半潛式生產(chǎn)生活平臺以保障島礁居民的生產(chǎn)生活為目標，主要布置于島礁附近，由于系泊系統(tǒng)面臨著近島礁水深極淺、海底地形變化較大等特殊環(huán)境條件，因此采用非對稱懸鏈線系泊方式[2]。

針對系泊系統(tǒng)的設計和性能分析評估需要兼顧平臺的定位和安全性需求，既須合理約束平臺的運動以保證其安全作業(yè)，又須確保系泊系統(tǒng)受力滿足規(guī)范要求的安全因數(shù)[3]。系泊系統(tǒng)性能分析評估主要采用數(shù)值分析和水池模型試驗等手段。其中，數(shù)值分析方法主要有3種：靜態(tài)法、準動態(tài)法、動態(tài)法。靜態(tài)法僅計算浮體所受的平均載荷，不考慮作用于系泊纜上的慣性力和黏性力，通過求解靜態(tài)懸鏈線方程或系泊受力-位移曲線來分配載荷[4]，這種方法較為簡單，能快速獲取系泊系統(tǒng)的剛度曲線等重要靜力參數(shù)[5]，主要應用于初步設計。準動態(tài)法同樣不考慮系泊系統(tǒng)的動力特性，但考慮平臺的定常和慢漂運動，并且將系泊系統(tǒng)和浮體集成在一個運動模型中，該方法雖然不能完全考慮系泊系統(tǒng)與浮體之間的耦合作用，但能體現(xiàn)浮體的動力特性和系泊系統(tǒng)的非線性剛度，具有計算速度快、結果較為準確的優(yōu)點。動態(tài)法則完全考慮系泊系統(tǒng)與浮體之間的耦合作用，如剛度、阻尼、波浪和流載荷以及慣性力等，將錨泊系統(tǒng)和浮體在一個運動方程中同時求解[6]，計算結果最為準確，但計算過程需要花費大量時間。此外，為獲得理論計算中難以預報的非線性水動力特性，更精確地驗證海洋平臺系泊性能，還需要結合水池模型試驗進一步完善分析評估結果[7]。

本文以島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺為研究對象，綜合考慮近島礁海底極淺水、變水深地形條件，采用基于集中質量模型的動態(tài)時域模擬方法對浮體-系泊耦合系統(tǒng)開展數(shù)值分析，并結合水池模型試驗結果進行對比驗證。

1 數(shù)值分析

1.1 海洋平臺水動力分析理論

海洋平臺在海上受到風、浪、流等環(huán)境力的作用，產(chǎn)生六自由度運動，根據(jù)牛頓第二定律，運動與受力之間的關系可表示為

(1)

F=FW+FC+FWD+FS+FR+FM

(2)

式中：FW、FC、FWD分別為平臺受到的波浪力、流力、風力；FS、FR分別為平臺受到的流體靜恢復力和流體動力；FM為系泊系統(tǒng)的作用力，可通過求解懸鏈線方程得到。

對于FS和FR，分別有：

FS=-CijX

(3)

(4)

(5)

基于上述理論方法，針對近島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺開展數(shù)值分析：首先在Patran-Pre中建立平臺主體有限元模型；再導入HydroD進行頻域分析，求解水動力參數(shù)；最后導入OrcaFlex建立浮體水動力模型，結合海底條件，完成平臺主體與系泊系統(tǒng)的非線性時域耦合分析[8]。

1.2 平臺模型

島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺由上部甲板、立柱、下浮體等3部分組成，其總布置如圖1所示，相關主尺度參數(shù)如表1所示。

單位：mm圖1 半潛式生產(chǎn)生活平臺總布置

表1 半潛式生產(chǎn)生活平臺主要參數(shù)

為簡化建模過程，只需建立水面以下的平臺主體模型即可。島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺水面以下部分主要由浮體、立柱和橫撐所組成。圖2為HydroD中平臺水線面以下部分的網(wǎng)格模型。隨后設置相應的環(huán)境參數(shù)，對平臺進行頻域分析，并求解水動力參數(shù)[9]。

圖2 HydroD中半潛式生產(chǎn)生活平臺網(wǎng)格模型

1.3 地形條件

半潛式生產(chǎn)生活平臺布置在島礁附近，水深為10～15 m。由于平臺兩側水深變化較大，錨鏈布置點水深不一，在數(shù)值計算和模型試驗中均需考慮地形條件的影響。計算中，將海底地形簡化為不同斜率的二維斜坡，平臺中心位置水深為10 m，如圖3所示。

單位：m圖3 平臺布置處地形簡化示例

1.4 系泊系統(tǒng)模型

島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺系泊系統(tǒng)采用8根懸鏈線系泊，如圖4所示：錨鏈分為4組，每組錨鏈中心與x軸夾角為15°，2根錨鏈之間夾角為7.5°。受海底地形條件影響，平臺兩側水深不同，系泊系統(tǒng)采用非對稱布置，系泊錨鏈長度不同：1號～4號錨鏈靠近島礁，水深較淺，長度稍短；5號～8號錨鏈布置于遠岸端，水深較深，錨鏈相對較長。

圖4 系泊系統(tǒng)布置

由于近島礁水深極淺，懸鏈線效應不顯著，因此在常規(guī)系泊錨鏈基礎上增加配重塊，距導纜孔10 m處開始布配重塊，相鄰配重塊間距為5 m，每個配重塊重5 t。表2為錨鏈及配重塊的具體設置。圖5為OrcaFlex中考慮地形條件的浮體-系泊系統(tǒng)模型。

表2 系泊系統(tǒng)主要參數(shù)

圖5 OrcaFlex中浮體-系泊系統(tǒng)模型

1.5 環(huán)境工況

平臺布置在近島礁淺水水域，外部環(huán)境力主要考慮波浪力和風力，暫不考慮海流的影響。由于平臺靠近島礁，當波浪從深水區(qū)傳遞至平臺位置時，浪向逐漸垂直于海岸線，因此波浪方向為圖4所示坐標系中x軸270°方向。不規(guī)則波的模擬采用JONSWAP譜，目標譜公式為

(6)

主要針對平臺布置位置的工作海況和臺風海況進行系泊性能分析，同時考慮單根錨鏈破斷情況下的系泊系統(tǒng)安全性，表3列出數(shù)值計算和模型試驗3個工況的具體參數(shù)，其中：工況1為工作海況；工況2和工況3均為臺風海況，工況3主要研究臺風海況下單根錨鏈破斷時的系泊系統(tǒng)安全性。

表3 主要研究工況參數(shù)

2 模型試驗

系泊系統(tǒng)模型試驗方法的主要理論基礎是相似理論，海洋平臺在波浪中的模型和實體兩個系統(tǒng)需要滿足3個相似條件：幾何相似、運動相似和動力相似。在模型試驗中通常保持弗勞德數(shù)和施特魯哈爾數(shù)相等[10]，即

(7)

(8)

式(7)和式(8)中:Vs、Ls、Ts分別為平臺實體的特征速度、特征線尺度和周期；Vm、Lm、Tm分別為模型的特征速度、特征線尺度和周期；g為重力加速度。

模型試驗在上海交通大學海洋工程水池中進行，綜合考慮水池的尺度和試驗能力，模型縮尺比選為1∶36。試驗中需要充分考慮海底地形對系泊系統(tǒng)的影響，在原水池假底的基礎上，增加模擬圖3中地形的斜坡假底裝置，如圖6所示。試驗中風的模擬采用定常風，通過改變風機轉速來模擬不同海上環(huán)境工況。不規(guī)則波浪的模擬采用JONSWAP譜，按照表3中的參數(shù)，每個工況造波時間不小于30 min，對應實際3 h。

圖6 平臺系泊系統(tǒng)水池模型試驗

3 結果對比分析

3.1 平臺波浪時歷曲線對比

圖7為數(shù)值計算和模型試驗中波浪表面高度時歷對比。圖8為數(shù)值計算和模型試驗中波浪譜與目標譜的對比。由圖7和圖8可知：數(shù)值計算結果與目標譜的吻合較好，受地形模擬裝置實際尺寸限制和各種誤差影響，模型試驗的波高和波浪譜較數(shù)值計算結果稍高。

3.2 平臺運動結果對比

環(huán)境力的方向為270°，對平臺六自由度運動結果進行分析，發(fā)現(xiàn)平臺在橫蕩和橫搖方向上的運動相對較顯著。因此，對橫蕩和橫搖的運動情況進行重點分析。

圖9～圖11分別為3種工況下平臺橫蕩和橫搖運動時歷曲線。表4為3種工況下平臺橫蕩和橫搖運動的統(tǒng)計結果。對比發(fā)現(xiàn)：

圖7 平臺波浪時歷曲線對比

圖8 平臺波浪譜對比

圖9 平臺橫蕩和橫搖運動時歷對比(工況1)

圖10 平臺橫蕩和橫搖運動時歷對比(工況2)

圖11 平臺橫蕩和橫搖運動時歷對比(工況3)

表4 平臺橫蕩和橫搖運動統(tǒng)計值對比

(1) 各工況下平臺橫蕩和橫搖運動時歷曲線均顯示平臺的定位比較穩(wěn)定，盡管時歷并不完全吻合，但其響應幅值和均值基本相同。因此，可認為數(shù)值計算的結果是可信的。

(2) 在工作海況下，平臺在橫蕩和橫搖方向上數(shù)值計算的最大值比模型試驗結果稍大一些，分別為2.11 m和3.87°，平臺的運動在合理的范圍內。

(3) 在臺風海況下：平臺橫蕩運動為-2～-4 m，最大值在-6 m附近；平臺橫搖運動的平均值約-2°，最大值在-7°附近。雖然數(shù)值相對較大，但臺風海況對平臺運動的要求較低，其運動也在可接受范圍內。

3.3 系泊力結果對比

表5為工作海況下各錨鏈系泊力的對比結果。由表5可知：該海況下平臺受到的環(huán)境力較小，在平臺定位過程中，各系泊纜的變形在一個短期波浪模擬中基本相同，各系泊纜的最大張力也呈現(xiàn)較為相近的水平，遠小于錨鏈的破斷強度。

表5 工況1各錨鏈系泊力 t

表6和表7分別為臺風海況下錨鏈完整狀態(tài)和單根錨鏈破斷狀態(tài)下的系泊力結果，由對比可知：

(1) 不同于工作海況，臺風海況下來浪方向的5號～8號錨鏈受力明顯大于另一側的1號～4號錨鏈。

(2) 當錨鏈處于完整狀態(tài)時，最大系泊力出現(xiàn)在6號和7號錨鏈上， 7號錨鏈的破斷對6號和8號錨鏈的受力影響較大，與7號錨鏈同組的8號錨鏈系泊力顯著增大，6號錨鏈的系泊力也有所增加。

(3) 錨鏈完整狀態(tài)下的最大系泊力為108 t，安全因數(shù)為3.06；單根錨鏈破斷狀態(tài)下的最大系泊力為134 t，安全因數(shù)為2.46：均符合規(guī)范要求。

(4) 系泊力最大值的數(shù)值計算結果略大，均值相差較小，這可能是由數(shù)值計算中忽略斜坡假底造成的。

表6 工況2各錨鏈系泊力 t

表7 工況3各錨鏈系泊力 t

圖12為臺風海況下較為典型的8號錨鏈受力時歷曲線。由圖12可知：雖然模型試驗與數(shù)值計算的最大值有所差異，但均值相差不大，其結果都比較穩(wěn)定，說明在臺風海況下所設計的系泊方案可以較安全地實現(xiàn)平臺定位功能。

圖12 8號錨鏈系泊力時歷對比

4 結 論

針對島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺在極淺水、變水深的特殊地形條件下所設計的非對稱系泊系統(tǒng)，運用數(shù)值計算和模型試驗的方法開展系泊性能研究。對數(shù)值計算與模型試驗結果進行對比分析，系泊力最大值的數(shù)值計算結果略大，這可能是由數(shù)值計算中忽略斜坡假底造成的。

由試驗結果可知：在工作海況下，平臺六自由度運動均在合理范圍內，可以較好地保持定位；在臺風海況下，無論在完整狀態(tài)還是單根錨鏈破斷狀態(tài)下，系泊系統(tǒng)的安全因數(shù)均高于規(guī)范要求，充分證明系泊系統(tǒng)的安全性。

研究有效地驗證所設計系泊系統(tǒng)的性能，為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化等工作提供數(shù)據(jù)基礎，同時還可以為平臺的實際工程安裝布置提供理論和技術支撐。