劉傳藝，沈 勇，潘偉宸，嚴(yán)興春，胡志楊，王希坤1,

(1. 中船澄西揚(yáng)州船舶有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2. 中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400；3. 江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

半潛式平臺(tái)擁有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能，在海上石油勘探、開采方面得到了廣泛的應(yīng)用[1 – 2]，半潛式起重支持平臺(tái)在海上石油開發(fā)過(guò)程中有著不可替代的作用[3]。

本文研究新型半潛式起重平臺(tái)（非對(duì)稱）（見圖1），與傳統(tǒng)的半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。結(jié)構(gòu)關(guān)于中縱剖面非對(duì)稱，2 臺(tái)起重機(jī)同時(shí)安裝在大浮筒一側(cè)，雙機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)能有效靈活地調(diào)節(jié)起重平臺(tái)與被安裝平臺(tái)的距離，顯著提升作業(yè)效率。箱型上層單元主要是居住單元，艙室可容納750 人[4]。平臺(tái)總排水量58 206 t，主浮筒長(zhǎng)為137.75 m，寬19.5 m，高12 m；副浮筒長(zhǎng)為122 m，寬13.5 m，高12 m。與之相對(duì)應(yīng)的，主支柱長(zhǎng)為22.5 m，寬19.5 m，高18 m；支腿支柱長(zhǎng)為16.5 m，寬13.5 m，高18 m。箱型上層船體總長(zhǎng)為81 m，寬81 m，高12.8 m。平臺(tái)的具體主尺度參數(shù)如表1 所示。

表1 非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)的主尺度參數(shù)Tab. 1 Main dimension parameters of asymmetric semi-submersible lifting platform

圖1 非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)Fig. 1 Asymmetric semi-submersible lifting platform

半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)特性研究對(duì)于平臺(tái)及系泊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有重要意義。因?yàn)闀r(shí)域迭代的方法計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，為了做到平衡精度和效率，文獻(xiàn)[5 – 8]提出了一些有效的完全耦合計(jì)算方法。為創(chuàng)造更有利于平臺(tái)鉆井作業(yè)的外部環(huán)境，袁培銀等[9]提出一種新型多浮體系泊系統(tǒng)，在1 500 m 水深，風(fēng)、浪、流同向作用下，對(duì)平臺(tái)－連接體－錨鏈－張力筋腱組成的多浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全時(shí)域耦合分析，并將新型多浮體系泊系統(tǒng)和傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論充分體現(xiàn)新型系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、優(yōu)越性。白雪平[10]以半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，設(shè)定了相應(yīng)的規(guī)則波，模擬了該平臺(tái)在規(guī)則波中的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。其先根據(jù)錨鏈參數(shù)設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)，然后采用8 根和12 根不同的纜繩布置形式，研究其動(dòng)力響應(yīng)的差異。童波等[11]以工作水深為1 500 m 的半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，設(shè)定了系泊纜直徑、長(zhǎng)度、預(yù)張力角度等相關(guān)變量，從而進(jìn)行平臺(tái)系泊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究。該研究還以纜繩數(shù)量、纜繩布置角度為變量，進(jìn)行了系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析。系列研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)南挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)，即合適的纜繩數(shù)量、合理的纜繩布置角度，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性起到積極影響，能夠提升系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)性能。

影響平臺(tái)及系泊性能的因素很多，如系泊纜數(shù)目、系泊纜的松弛度等，本文研究這些參數(shù)對(duì)非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩張力的影響規(guī)律。

1 系泊系統(tǒng)布置

考慮作業(yè)水深為200 m，選取懸鏈線式系泊方式。系泊纜經(jīng)常采用放射型均勻布置，朝向各個(gè)方向，這樣可以提供給平臺(tái)任意角度的回復(fù)力，保證平臺(tái)平穩(wěn)正常作業(yè)。在系泊系統(tǒng)的布置上使用8 根或12 根鋼纜材質(zhì)的系泊纜繩，選擇傾斜波浪方向中預(yù)計(jì)的較大環(huán)境負(fù)荷的系泊纜繩布局方案，如圖2 和圖3 所示。平臺(tái)坐標(biāo)系為o-xyz，原點(diǎn)位于平臺(tái)方向。圍繞平臺(tái)均勻間隔對(duì)稱布置，8 根系泊纜分為4 組，每組由2 根構(gòu)成，每組內(nèi)系泊纜夾角為45°；12 根系泊纜分為4 組，每組由3 根構(gòu)成，每組內(nèi)相鄰系泊纜夾角為30°。

圖2 8 根纜繩布置圖（俯視圖）Fig. 2 Layout of 8 cables (top view)

圖3 12 根纜繩布置圖（俯視圖）Fig. 3 Layout of 12 cables (top view)

非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)進(jìn)行時(shí)域仿真模擬的系泊纜參數(shù)如表2 所示。系泊纜直徑76 mm，長(zhǎng)度為1500 m，空氣中系泊纜單位質(zhì)量為24.7 kg/m，等效截面面積0.023 m2，軸向剛度7.0×109N，破斷力為4.159×107N。

表2 非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)系泊纜屬性Tab. 2 Properties of mooring lines for asymmetric semi-submersible crane platforms

2 不同數(shù)量系泊纜系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和張力分析

環(huán)境載荷方向選取90°、135°、180°典型角度，此角度定義為風(fēng)浪流的來(lái)向與船首（即平臺(tái)坐標(biāo)系x正向）所成角度，浪向角示意圖如圖4 所示。本文數(shù)值模擬采用不規(guī)則波Jonswap 波譜，其表達(dá)式如式（1）所示。選擇北海海域的作業(yè)工況，有義波高為6 m，譜峰周期為7.78 s，γ取3.3。取定常海風(fēng)與海流，速度分別為20 m/s 和1.03 m/s。計(jì)算海域深度為200 m，模擬時(shí)間為10 800 s（即3 h）。環(huán)境參數(shù)均由設(shè)計(jì)方給定，相關(guān)環(huán)境參數(shù)的設(shè)定具體見表3。

表3 海況環(huán)境參數(shù)Tab. 3 Sea condition environmental parameters

圖4 非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)波浪入射角示意圖Fig. 4 Schematic diagram of wave incident angle of asymmetric semi-submersible lifting platform

式中：A=1?0.287ln(γ) ，為無(wú)因次參數(shù)；γ為譜峰升高因子；σ為譜型參數(shù)，當(dāng)波浪頻率ω>ωP時(shí)，σ=0.09；反之，σ=0.07。

圖5~圖7 分別為作業(yè)海況90°、135°、180°的8 根與12 根系泊纜運(yùn)動(dòng)響應(yīng)歷時(shí)曲線及最大張力歷時(shí)曲線。為了直觀，選取前4 000 s 的歷時(shí)曲線圖。

圖5 90°海況下橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及最大系泊纜張力歷時(shí)曲線Fig. 5 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 90° sea state

1）作業(yè)海況90°

圖5（a）和圖5（b）分別為8 根和12 根系泊纜在風(fēng)浪流入射角為90°時(shí)的橫蕩響應(yīng)時(shí)域曲線。8 根系泊橫蕩最大響應(yīng)值為8.10 m，12 根系泊橫蕩最大響應(yīng)值為6.96 m，最大水平偏移量分別為水深的4.05%和3.48%，均符合規(guī)范要求的小于水深10%。圖5（c）和圖5（d）分別為8 根和12 根系泊纜對(duì)應(yīng)的最大系泊張力歷時(shí)曲線。8 根系泊纜方案張力最大的是7#纜繩，最大張力值為4.04×106N，12 根系泊纜方案張力最大的是10#纜繩，最大值為3.83×106N，二者較系泊纜的斷裂剛度4.159×107N 低一個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢钥闯?，12 根系泊纜對(duì)應(yīng)的平臺(tái)最大水平偏移量和纜繩最大張力值皆低于8 根系泊纜。

2）作業(yè)海況135°

圖6（a）和圖6（b）分別為8 根和12 根系泊纜在135°海況下的縱蕩響應(yīng)時(shí)域曲線。8 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為8.97 m，12 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為6.23 m，最大水平偏移量分別為水深的4.49%和3.12%，和90°海況的結(jié)果接近，滿足規(guī)范要求。圖6（c）和圖6（d）分別為8 根和12 根系泊纜的系泊張力歷時(shí)曲線。8 根系泊方案張力最大的是8#纜繩，最大張力值為7.59×106N，12 根系泊方案張力最大的是11#纜繩，最大值為7.11×106N。該海況下的最大張力與90°海況相比增加約1 倍，但依舊遠(yuǎn)低于系泊纜的斷裂剛度4.159×107N。與90°海況得到的結(jié)論一致，隨著纜繩數(shù)目的增加，非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)縱蕩最大值和系泊最大張力值皆有所減少，但該海況的危險(xiǎn)度高于90°海況。

圖6 135°海況下縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及最大系泊纜張力歷時(shí)曲線Fig. 6 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 135° sea state

3）作業(yè)海況180°

從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，在180°海況下，8 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為12.36m，12 根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為10.31m，最大水平偏移量分別為6.18%和5.15%，大于90°和135°海況的結(jié)果，但依然小于規(guī)范要求的10%。圖7（c）和圖7（d）分別為8 根和12 根系泊纜在風(fēng)浪流180°下的系泊張力歷時(shí)曲線。8 根系泊方案張力最大的是8#纜繩，最大值為7.31×106N，12 根系泊纜方案張力最大的是12#纜繩，最大值為6.60×106N，略低于135°海況的結(jié)果。

圖7 180°海況下縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及最大系泊纜張力歷時(shí)曲線Fig. 7 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 180° sea state

參考API 規(guī)范[12]和ABS 規(guī)范[13]中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行安全校核，規(guī)范中要求系泊纜的最大拉伸強(qiáng)度的安全因子為1.67。8 根和12 根系泊纜的平臺(tái)及系泊系統(tǒng)在作業(yè)海況下的運(yùn)動(dòng)特性及張力量值統(tǒng)計(jì)情況分別如表4 和表5 所示。

表4 8 根系泊纜計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 4 Calculation and statistical results of 8 mooring lines

表5 12 根系泊纜計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 5 Calculation and statistical results of 12 mooring lines

通過(guò)對(duì)比可以看出，纜繩的數(shù)量對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊纜動(dòng)力響應(yīng)的影響比較明顯，隨著纜繩數(shù)目的增加，平臺(tái)偏移量和系泊纜張力響應(yīng)幅值均有所降低，系泊性能越來(lái)越優(yōu)良。對(duì)比8 根系泊纜方案和12 根系泊纜方案，前者對(duì)應(yīng)的系泊線張力最大值為7.59×106N，安全系數(shù)為5.47；后者的張力最大值為7.11×106N,安全系數(shù)為5.84，系泊纜安全系數(shù)都大于規(guī)范要求的1.67。8 根系泊纜方案的最大水平偏移為12.36 m，為水深的6.18%；12 根系泊纜方案的最大水平偏移為10.31 m，為水深的5.15%，其最大位移都符合規(guī)范要求的小于10%水深。綜上，系泊性能均滿足要求，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，8 根纜系泊方式的經(jīng)濟(jì)性更好，系泊纜的布置也更方便。

3 懸鏈松弛度

研究8 根系泊纜方案下懸鏈松弛度對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力的影響規(guī)律。懸鏈松弛度是指在導(dǎo)纜孔及錨點(diǎn)坐標(biāo)不變的情況下，面對(duì)相同水深，采用不同長(zhǎng)度的系泊纜（L1～L5）。從圖8 可以看到，懸鏈松弛度的變化可更加直觀的從系泊纜與水面處交點(diǎn)處的切線與X軸的夾角（θ）的變化看出，也可從臥鏈長(zhǎng)度(l1～l5)的變化來(lái)做出對(duì)比[14]。

圖8 不同松弛度懸鏈?zhǔn)疽鈭DFig. 8 Schematic diagram of catenary with different degrees of relaxation

隨著懸鏈松弛度的增大，懸鏈與海底的夾角逐漸減小，錨鏈與海底接觸的長(zhǎng)度逐漸增大。為了得到懸鏈線松弛度對(duì)其他參數(shù)結(jié)果的影響規(guī)律，選取5 種不同松弛度的系泊纜，L1～L5 代表系泊纜的長(zhǎng)度，h代表水深。根據(jù)系泊纜初始設(shè)定長(zhǎng)度1 500 m，初始懸鏈線的松弛度為7.5，懸鏈線的松弛度（L/h）分別取7.0、7.25、7.5、7.75 和8.0。由于只是研究懸鏈線松弛度大小對(duì)非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及系泊纜的受力影響規(guī)律，因此僅考慮最危險(xiǎn)的海況，即135°海況。

對(duì)系泊纜不同松弛度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，分別選取不同懸鏈線松弛度對(duì)應(yīng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的最大水平位移和對(duì)應(yīng)系泊纜受力的最大值及平均值，然后使用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件Origin 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得規(guī)律曲線圖，分別如圖9 和圖10 所示。系泊纜張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 不同松弛度下的最大張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 6 Statistical results of maximum tension under different relaxation degrees

圖9 不同松弛度下的平臺(tái)位移Fig. 9 Platform displacement under different slack

圖10 不同松弛度下的系泊纜張力Fig. 10 Mooring line tension under different slack

結(jié)合圖9～圖10 以及表6 可以發(fā)現(xiàn)：隨著懸鏈線松弛度的增大，對(duì)應(yīng)的平臺(tái)位移的最大值和平均值呈現(xiàn)波動(dòng)變化。根據(jù)圖9 可以看出，松弛度為7.25 時(shí)，平臺(tái)水平位移最大，達(dá)131.51 m，可能是因?yàn)槠脚_(tái)受系泊纜約束不夠，在某一時(shí)刻發(fā)生很大偏移。根據(jù)海上平臺(tái)作業(yè)規(guī)范，平臺(tái)最大水平位移應(yīng)小于水深的10%。本文所研究的目標(biāo)是非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)，作業(yè)水深為 200 m，水平位移應(yīng)小于20 m。從圖9 可以看出，松弛度為7.0、7.25、7.75 和8.0 的最大水平位移均大于20 m；當(dāng)松弛度為7.5 時(shí)，最大水平位移為8.97 m，符合作業(yè)要求。綜上，只有懸鏈松弛度為7.5 的系泊纜符合平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能要求。

隨著懸鏈線松弛度的增大，其對(duì)應(yīng)的平臺(tái)系泊纜張力的最大值和平均值逐漸減小。由表6 可以看出，5 種松弛度下受力最大系泊纜為7#和8#纜繩，這可能是因?yàn)檫@2 根纜繩位于135°浪向方向附近，同方向的風(fēng)浪流載荷最大，受到的系泊張力也最大。松弛度為7.0 時(shí)7#纜繩的張力最大，安全系數(shù)最小，系泊纜最大值為1.69×107N，安全系數(shù)為2.47，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的最低1.67。所以綜合考慮運(yùn)動(dòng)性能和安全性，懸鏈松弛度為7.5 的系泊纜方案最優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究非對(duì)稱半潛式起重平臺(tái)系泊系統(tǒng)的特性，對(duì)可能的參數(shù)展開計(jì)算分析，主要研究參數(shù)為系泊纜數(shù)目、系泊纜懸鏈松弛度和海況條件。系泊系統(tǒng)為懸鏈?zhǔn)椒派湫途鶆虿季?，作業(yè)條件為北海典型海域海況。在系泊纜數(shù)目參數(shù)中，分別對(duì)8 根和12 根系泊纜方案進(jìn)行研究，比較2 種方案在3 種不同風(fēng)浪流角度（90°、135°和180°）下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力情況，發(fā)現(xiàn)在同時(shí)滿足規(guī)范要求的情況下，8 根系泊纜的經(jīng)濟(jì)性更好。針對(duì)8 根系泊纜方案最危險(xiǎn)的海況（135°海況），研究5 種不同的系泊纜懸鏈松弛度的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)懸鏈松弛度為7.5 的系泊纜運(yùn)動(dòng)性能和安全性最好。