一種適用于深水浮式海洋平臺結(jié)構(gòu)的新型系泊系統(tǒng)設(shè)計及水動力性能分析

嵇春艷 ，元志明 ，徐 勝 ，黃 山

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.斯特萊思特萊德大學(xué)海洋工程學(xué)院，英國 格拉斯哥）

一種適用于深水浮式海洋平臺結(jié)構(gòu)的新型系泊系統(tǒng)設(shè)計及水動力性能分析

嵇春艷1，元志明1，徐 勝1，黃 山2

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.斯特萊思特萊德大學(xué)海洋工程學(xué)院，英國 格拉斯哥）

作為浮式結(jié)構(gòu)最常采用的兩種系泊方式，懸鏈式系泊和張緊式系泊皆存在不足。本文提出了一種新型系泊系統(tǒng)，并以一深水FPSO為例，采用完全時域耦合分析方法，對不同工作水深情況下的浮體及新型系泊系統(tǒng)的運動性能進行了數(shù)值模擬，并將該新型系泊系統(tǒng)的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的張緊式系泊系統(tǒng)進行了比較，分析了新型系泊系統(tǒng)在浮體運動性能、纜索張力等方面的改善，同時探討了該新型系泊系統(tǒng)的最佳工作水深。

懸鏈；張緊式；FPSO；質(zhì)量塊；耦合分析

浮式結(jié)構(gòu)物在進行海上作業(yè)時為了滿足其對運動性能的要求，通常需要錨泊定位系統(tǒng)。由于浮式海洋結(jié)構(gòu)物需要在惡劣海況中作業(yè)，而且在進行油氣生產(chǎn)時必須保證低幅運動，所以在選擇定位系統(tǒng)時顯得尤為重要。目前，應(yīng)用于大型浮式結(jié)構(gòu)物的錨泊系統(tǒng)主要有懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)。

圖1 懸鏈線系泊系統(tǒng)

圖2 張緊式系泊系統(tǒng)

然而，隨著水深的增加，傳統(tǒng)的懸鏈線系泊呈現(xiàn)出了很多缺點[1-2]。首先，懸鏈線系泊系統(tǒng)依靠自身的重力提供浮體的回復(fù)力，因此，纜索的重量通常很大，這不僅增加了制造成本，而且造成海洋平臺有效承載力降低[3]。其次，懸鏈線系泊纜索長度一般很長，系泊半徑會因此增大，這將影響管線的鋪設(shè)，增大系泊基礎(chǔ)占用的海床面積及與附近其它水下設(shè)施相碰撞的危險。除此之外，懸鏈線的回復(fù)剛度小，平臺的偏移量較大，從而影響鉆井活動的進行。鑒于懸鏈線系泊的這些缺點，在過去15 a中張緊式系泊系統(tǒng)正被越來越多的使用。張緊式系泊纜索采用的是聚合材料，其優(yōu)良的特性已被諸多文獻證明并應(yīng)用于深水系泊[4-8]。張緊式系泊系統(tǒng)依靠纜索的軸向剛度提供回復(fù)力，一般情況下，聚合材料的軸向剛度很大，從而在很大程度上限制了平臺的平均及低頻位移，可以顯著改善平臺上面的工作條件[9]。張緊式系泊系統(tǒng)具有增加平臺的有效承載能力、降低纜索動張力的幅值、系泊半徑較小、安裝方便及成本低等優(yōu)點[10]。

盡管如此，張緊式系泊系統(tǒng)亦存在不足，主要有：（1）聚合材料在深海系泊領(lǐng)域運用較少，其材料和力學(xué)性能非常復(fù)雜，在工程設(shè)計中會采用較大的安全系數(shù)從而減小了應(yīng)用過程中的優(yōu)勢[9]；（2）張緊式系泊纜索端部與海底成一定的夾角，因此，拋錨點將受到一個較大的垂向載荷，這對錨的垂向抗拔性能提出了很高的要求[11]。目前張緊式系泊系統(tǒng)使用較多的為法向承載錨或者吸力錨，這些設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，安裝成本較高。張緊式系泊系統(tǒng)這一缺點卻正好是懸鏈線系泊的優(yōu)點。由于本身的重力，纜索與海底有很長的接觸段，從而使得拋錨點只承受水平方向的載荷，因此并不要求錨具有抵抗垂向載荷的能力。

為了彌補懸鏈線和張緊式系泊系統(tǒng)的不足，并結(jié)合這兩種系泊系統(tǒng)的優(yōu)點，本文提出一種新型系泊系統(tǒng)的設(shè)計概念。它以傳統(tǒng)張緊式系泊為基礎(chǔ)，在系泊纜索末端以一定的間距布置集中質(zhì)量塊，從而在纜索的末端形成懸鏈線，并與海底相切。此時，拋錨點只受到水平張力，從而不需要吸力錨。為了說明該新型系泊系統(tǒng)的有效性，并探討該新型系泊系統(tǒng)的最佳工作水深，本文以一深水FPSO為例，采用SESAM軟件進行數(shù)值模擬，分析了在不同工作水深情況下的浮體位移、系泊纜索的有效張力以及末端懸鏈線的形狀，并將這些結(jié)果與采用傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)的FPSO計算結(jié)果進行比較分析。

1 新型系泊系統(tǒng)設(shè)計方案

圖3和圖4分別給出了傳統(tǒng)張緊式系泊纜索與新型系泊纜索。

圖3 傳統(tǒng)張緊式系泊纜索

圖4 新型系泊纜索

圖3表明傳統(tǒng)的張緊式系泊纜索從導(dǎo)纜孔至拋錨點幾乎成一條直線，底部以吸力錨固定于海底，仰角為θ，底部張力由吸力錨完全抵消。圖4給出的新型系泊系統(tǒng)表明，懸鏈與張緊結(jié)合式系泊纜索與傳統(tǒng)的張緊式系泊纜索的長度及系泊半徑并無差異，其區(qū)別在于：前者底部從拋錨點向上等間距布置一系列質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的重量從拋錨點向上逐漸減小。在重力的作用下，纜索的末端呈懸鏈線狀，并且質(zhì)量塊在設(shè)計時保證最靠近拋錨點的質(zhì)量塊不被提升而始終坐落于海底。因此，纜索張力在豎直方向的分力由質(zhì)量塊的重力完全抵消，當張力減小時，海床將對質(zhì)量塊提供支持力，從而緩解纜索張力，保證平臺的有效承載力。由于系泊纜索與海底始終相切，因此它具備了懸鏈線系泊系統(tǒng)的優(yōu)點，在拋錨點處，只受到水平方向的張力[12]。此外，從導(dǎo)纜孔至最小的質(zhì)量塊處，系泊纜索幾乎呈一條直線，從而具備了張緊式系泊的優(yōu)點。

2 浮式結(jié)構(gòu)及系泊系統(tǒng)耦合運動控制方程

本文采用全耦合時域分析法分析浮式結(jié)構(gòu)及系泊系統(tǒng)的運動，其耦合控制方程的時域形式可以表達為[13]：

3 數(shù)值算例

3.1 FPSO主要參數(shù)

本文以一深水FPSO作為新型系泊系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)值算例，分別計算在不同工作水深下FPSO運動性能及系泊纜索的張力，并與采用傳統(tǒng)的張緊式系泊系統(tǒng)的計算結(jié)果進行對比分析。FPSO的主要參數(shù)如表1所示。

表1 FPSO的主要參數(shù)

3.2 新型系泊纜索設(shè)計

3.2.1 系泊纜索描述

表2 系泊纜索的主要參數(shù)

為了充分比較新型系泊系統(tǒng)與張緊式系泊系統(tǒng)的系泊效果，新型系泊系統(tǒng)采用與傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)相同布置方案，平臺通過12根系泊纜索系泊于固定海域，系泊纜索兩端采用鋼鏈，中間采用聚酯繩，纜索采用25°/45°/65°的角度對稱布置。表2給出了纜索材料的主要參數(shù)，不同工作水深下的纜索長度見表3。

表3 不同工作水深下纜索長度

3.2.2 質(zhì)量塊的設(shè)計方案

在相同布置方案基礎(chǔ)上，根據(jù)本文提出新型系泊系統(tǒng)的設(shè)計概念，在系泊纜索末端加設(shè)質(zhì)量塊（見圖5）。在拋錨點以上的100 m布置了5個質(zhì)量塊，兩個質(zhì)量塊的距離是20 m，其中 m1=68 t,m2=60 t,m3=55 t,m4=45 t,m5=15 t。

3.3 環(huán)境參數(shù)及工況

選用墨西哥灣百年一遇的暴風(fēng)條件作為其工作海況，有義波高取12.19 m，周期14 s，入射角為90°；波浪選用Jonswap譜，風(fēng)譜選用API譜，參考高度為10 m時風(fēng)速41.12 m/s，方向210°；海面的流速為1.067 m/s，91.44 m的水深處為0.0914m/s，海底 0.0914m/s，方向 150°。波浪的周期取 1～38s，步長為2 s，采用完全時域方法對系統(tǒng)進行耦合分析，模擬周期為600 s，步長為0.2 s。為研究新型系泊系統(tǒng)在不同工作水深的性能，分別計算了1 000 m，1 500 m，2 000 m，2 500 m和3 000 m工作水深下FPSO主體運動性能和系泊系統(tǒng)的性能。

圖5 質(zhì)量塊的布置

圖6 不同水深下浮體的位移時間歷程

3.4 仿真結(jié)果及比較分析

3.4.1 不同水深下FPSO的運動響應(yīng)

本文采用SESAM軟件建立FPSO模型、系泊纜索模型，采用時域全耦合法進行計算。FPSO運動計算結(jié)果如圖6所示。

圖6計算結(jié)果表明，應(yīng)用新型系泊系統(tǒng)后幾乎所有的浮體位移都得到改善，這是由于在纜索末端質(zhì)量塊的作用下，系泊纜索能夠提供更大的回復(fù)力的緣故。當浮體運動時，處于松弛一側(cè)的懸掛在系泊纜索末端的質(zhì)量塊將坐落在海底，從而減小了纜索的張力，而處于張緊一側(cè)的質(zhì)量塊則逐漸被提升，隨著浮體運動位移的增大，提升的質(zhì)量塊的數(shù)量逐漸增多，而這些質(zhì)量塊的重力分量提供的回復(fù)力也在不斷地增大，從而使得浮體的位移幅值減小。圖7給出了采用新型系泊系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)相比浮體位移在不同工作水深下減少幅度的時歷曲線，圖8為浮體運動的靜位移，動位移最大值和平均值減小的幅度隨水深的變化規(guī)律。

圖7 浮體位移減小百分比的時歷曲線

圖8 三種位移減小的幅度隨水深的變化規(guī)律

圖7表明當工作水深為1 000 m時，采用新型系泊系統(tǒng)的浮體位移較采用傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)的位移下降的百分比在5%左右，雖然在某些時刻效果不明顯，但是浮體的最大動位移是有所下降的，在4%左右；在工作水深為2 000 m時，浮體位移下降百分比基本維持在20%，而在工作水深為2 500 m，3 000 m時，位移下降的百分比又在減小。圖8表明采用新型系泊系統(tǒng)的浮體位移減小的百分比在工作水深為2 000 m時達到最大，之后又緩慢減小。因此僅從降低浮體的運動位移方面來考慮，此新型系泊系統(tǒng)的最佳工作水深為2 000 m左右。

3.4.2 不同工作水深纜索的有效張力

通過本文計算，由于10#纜索的張力方向與浮體的運動方向相反，其所受張力最大，而且該纜索的有效張力值沿纜索上端向下逐漸減小，因此以10#纜索最上端靠近導(dǎo)纜孔處的一個單元為分析對象，得到系統(tǒng)所受得最大張力隨水深的變化規(guī)律。圖9給出了新型系泊系統(tǒng)的最大動張力與傳動流張緊式系泊系統(tǒng)的比較。

圖9 纜索最大動張力

圖9表明纜索的最大動張力隨工作水深的增加而減小，在工作水深小于2 000 m時新型系泊系統(tǒng)的最大動張力始終大于傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)；當工作水深大于2 000 m后，雖然新型系泊系統(tǒng)的動張力仍大于傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)，但是兩者的差別很小，差值在1.56%，并且有相互逼近的趨勢。

3.4.3 工作水深對質(zhì)量塊布置的影響

纜索末端質(zhì)量塊的布置在很大程度上決定了纜索末端懸鏈線的形狀，因此其設(shè)計十分重要。為了說明工作水深對質(zhì)量塊布置的影響，現(xiàn)將10#系泊纜索在最大張力時刻m1，m2和m3被提升的高度值繪成曲線，如圖10所示。

圖10 質(zhì)量塊被提升的高度

圖10表明在相同質(zhì)量塊布置方案的情況下，隨著工作水深的增加，末端質(zhì)量塊被提升的高度在逐漸減小。在工作水深為1 000 m時，m1，m2和m3全部被提升，其中m3被提升了15.45 m之多；在工作水深為1 500 m時，質(zhì)量塊亦被全部提升，但m1只被提升了0.16 m，與工作水深為1000 m時被提升2.89 m相比減小很多；在工作水深為2 000 m和2 500 m時，只有m3被少許提升，提升的高度也由3.4 m（2 000 m工作水深）減小到1.2 m（2 500 m工作水深）；在工作水深為3 000 m時，可以明顯的看到m1，m2和m3都坐落于海底。以上結(jié)果表明在工作水深較小時，為了達到與懸鏈線相同的效果，需要布置更大質(zhì)量的質(zhì)量塊來保證纜索與海底相切，而在工作水深較大時，質(zhì)量反而可以減輕。因此，如果僅從質(zhì)量塊布置的角度進行考慮，則新型系泊系統(tǒng)的適用水深越大越有利。

4 結(jié)論

本文結(jié)合懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)的優(yōu)點，提出了一種新型系泊系統(tǒng)，并對這一新型系泊系統(tǒng)在不同工作水深下的系泊效果進行了數(shù)值模擬并與傳統(tǒng)的張緊式系泊系統(tǒng)進行了比較分析，得到了如下結(jié)論：

（1）新型懸鏈與張緊結(jié)合式系泊系統(tǒng)能夠改善浮體的運動性能。采用新型系泊系統(tǒng)總體上能夠改善浮體的低頻運動響應(yīng)，減小浮體的偏移量，從而改善平臺的工作條件。在模擬的工作水深范圍內(nèi)(1 000～3 000 m)，采用新型系泊系統(tǒng)后，隨著水深的增加浮體位移減小的幅度也在發(fā)生變化。當工作水深小于2 000 m時最大動位移的減小量在8%左右；工作水深在2 000 m時最大動位移的減小量達到了20%左右；工作水深超過2 000 m時，最大動位移的減小量在12%左右。

（2）新型懸鏈與張緊結(jié)合式系泊系統(tǒng)能夠降低系泊纜索的張力的變化幅度，從而降低了纜索疲勞破斷的風(fēng)險。

（3）新型懸鏈與張緊結(jié)合式系泊系統(tǒng)能夠保證拋錨點只受到水平方向的張力，大大降低對錨的抗拔性能的要求。合理地布置質(zhì)量塊，能夠使得纜索末端形成一條與海床相切的懸鏈線，從而解除了對錨的抗拔性能的要求。

（4）隨著工作水深的增加，若采用新型系泊系統(tǒng)，則只需要布置較小質(zhì)量的質(zhì)量塊，便能夠保證系泊纜索末端的懸鏈線與海底完全相切，同時綜合考慮質(zhì)量塊設(shè)計以及對浮式海洋平臺主體位移的改善程度，該新型系泊系統(tǒng)最佳工作水深在2 000 m左右。

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Concept Design of a New Mooring System Applied to Deepwater Floating Offshore Platforms and its Hydrodynamics

JI Chun-yan1,YUAN Zhi-ming1,XU Sheng1,HUANG Shan2
(1.Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China;2.Department of Navel Architecture and Marine Engineering,University of Strathclyde,Glasgow UK)

Catenary mooring system and taut mooring system are two widespread mooring systems which are applied for the floating structures.However,both of them have their inherent drawbacks.The aim is to develop a new mooring system which will overcome these shortcomings.To validate the efficiency of the new system,the new mooring system applied to a deepwater FPSO was selected as the numerical example.The motion performance of the FPSO platform with the new mooring system under different water depth was simulated employing full time domain coupled analysis method.The numerical simulation results show that the new mooring system yields very good motion performance compared to the taut mooring system.Finally the optimal water depth of the new mooring system where the floating offshore platforms can obtain the best performance was discussed.

catenary;taut mooring;FPSO;lumped mass;coupled analysis

TE951

A

1003-2029（2012）02-0068-05

2011-12-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（51079065）；江蘇省科技支撐計劃（BE2010159）

嵇春艷（1976-），女，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)動力特性、減振方法的研究。