深水半潛式平臺(tái)聚酯纜張緊式系泊研究

姜鈞喆， 陳新權(quán)

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

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深水半潛式平臺(tái)聚酯纜張緊式系泊研究

姜鈞喆， 陳新權(quán)

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

摘要：該文主要研究了聚酯纜張緊式系泊在深海作業(yè)條件下的相關(guān)性能。首先總結(jié)聚酯纜材料的非線性伸長(zhǎng)特性及規(guī)范法規(guī)的相關(guān)要求，針對(duì)1 500 m作業(yè)水深下的半潛式平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)了聚酯纜材料的張緊式系泊系統(tǒng)，并對(duì)系泊系統(tǒng)在作業(yè)工況和自存工況下進(jìn)行了時(shí)域耦合動(dòng)力分析，根據(jù)規(guī)范對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移和線張力采用不同軸向剛度值進(jìn)行模擬，分析了單根破斷對(duì)耦合系統(tǒng)的影響，并校核計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)完全符合規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：深海半潛式平臺(tái)；聚酯纜；張緊式系泊；時(shí)域；耦合分析

0引言

海上浮式平臺(tái)長(zhǎng)期屹立在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，因此需要通過(guò)定位系統(tǒng)來(lái)限定它的運(yùn)動(dòng)，保證生產(chǎn)作業(yè)的正常開(kāi)展。當(dāng)水深增加時(shí)，懸鏈線式系泊系統(tǒng)的自重會(huì)大大增加，不僅減小了平臺(tái)的可變載荷，增加了纜繩中的張力，系泊半徑也會(huì)隨著水深增加而迅速增大，系泊系統(tǒng)的布置和回收可能會(huì)比原來(lái)困難，其定位能力也會(huì)減小。因此對(duì)于水深超過(guò)1 500 m的超深水域，比較適合浮式平臺(tái)的系泊方式是合成纖維材料的張緊式系泊。

合成纖維中聚酯纜研究應(yīng)用較早，生產(chǎn)制造安裝規(guī)范也較為成熟。在性能方面，聚酯纜在同等海況下繩上張力適中，能較好地抵抗軸向擠壓和蠕變影響，并且強(qiáng)度—重量比值大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚酯纜材料的系泊性能也在不斷的試驗(yàn)研究之中。宋安科等[1]對(duì)于聚酯纜繩的系泊系統(tǒng)和平臺(tái)分別進(jìn)行了靜力和時(shí)域耦合分析，并對(duì)影響系泊系統(tǒng)強(qiáng)度和定位能力的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析研究。Bhat 等[2]以一個(gè)超深水條件下的聚酯纜系泊模型為對(duì)象，用定常剛度值進(jìn)行了準(zhǔn)靜定時(shí)域模擬，然后用非線性剛度值進(jìn)行了耦合頻域模擬，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。Cermelli等[3]以一座墨西哥灣2 500 m水深處的半潛式平臺(tái)為例，利用Shell公司內(nèi)部的耦合動(dòng)力分析軟件COSMOS對(duì)三種不同的模擬方法進(jìn)行了研究對(duì)比。

該文對(duì)聚酯纜張緊式系泊的相關(guān)特性進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，介紹了行業(yè)在初步設(shè)計(jì)中普遍采用的兩種簡(jiǎn)化模型以及基于這兩種模型的設(shè)計(jì)流程，之后針對(duì)一座作業(yè)水深為1 500 m的半潛式平臺(tái)的聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，從強(qiáng)度和定位能力兩方面校核了系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，探討了聚酯纜的非線性剛度特性對(duì)于系泊定位效果的影響，并研究了單根失效情況對(duì)于聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)的影響。

1聚酯纜剛度模型

Fernandes和Vecchio[4]對(duì)一些小直徑的聚酯纜的軸向剛度進(jìn)行了回歸分析，發(fā)現(xiàn)軸向剛度與聚酯纜所受的平均載荷、載荷幅值以及載荷周期有關(guān)。

聚酯纜剛度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：F為軸向力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量；A為截面積。

相對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱剛度Kr表達(dá)式如下：

(2)

式中：MBS為最小破斷強(qiáng)度。

Kr又涉及到動(dòng)態(tài)剛度Krd和靜態(tài)剛度Krs，廣泛使用的動(dòng)態(tài)剛度三參數(shù)表達(dá)式為：

(3)

式中：Lm為平均載荷；T為載荷幅值；P為載荷周期。

Bosman和Hooker認(rèn)為載荷幅值和載荷周期對(duì)于動(dòng)態(tài)剛度的影響可以忽略，動(dòng)態(tài)剛度僅和平均載荷Lm有關(guān)，從而得到更適用于實(shí)際工程領(lǐng)域的數(shù)學(xué)模型[5]，表達(dá)式為：

(4)

實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，聚酯纜主要有兩種剛度簡(jiǎn)化模型：靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)模型和上界—下界模型。

圖1　靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)模型圖

1.1靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)模型

聚酯纜由晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成。靜態(tài)剛度就是使線張力緩慢增加，纜繩中的晶體和非晶體部分同時(shí)達(dá)到平均載荷值情況下的剛度，而在周期性載荷的作用下，只有剛度更大的晶體結(jié)構(gòu)能夠及時(shí)響應(yīng)，體現(xiàn)出來(lái)的就是動(dòng)態(tài)剛度。對(duì)聚酯纜來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)剛度值一般為靜態(tài)剛度的2～3倍。在海洋環(huán)境下，一根系泊線需要承受的海洋載荷通?？梢苑纸鉃榉€(wěn)定的平均載荷部分和在平均載荷周圍振蕩的動(dòng)態(tài)載荷，所以這個(gè)模型比較好地模擬了海洋環(huán)境下系泊纜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如圖1所示。

根據(jù)大量工業(yè)應(yīng)用研究，靜態(tài)剛度可以采用以下“準(zhǔn)靜態(tài)”模型[6]：

(5)

式中：F1為起始測(cè)試張力，一般為系泊纜的預(yù)張力；F2為最終測(cè)試張力，對(duì)應(yīng)為海洋平均載荷；E1為起始應(yīng)變；E2為最終應(yīng)變；C為蠕變系數(shù)；t為蠕變時(shí)間。

1.2上界—下界模型

圖2　上界—下屆模型圖

為了應(yīng)對(duì)解決工業(yè)上對(duì)于實(shí)用聚酯纜剛度模型的需要，1999年提出了上界—下界模型。該模型定義了剛度的下界(又稱安裝后剛度)和上界(又稱風(fēng)暴剛度)作為初次近似，如圖2所示。這些下界和上界值被分別用來(lái)計(jì)算平臺(tái)的最大位移和線張力。但是聚酯纜的伸長(zhǎng)特性比較復(fù)雜，為了得到比較精確的結(jié)果，可以采用中間值并且需要對(duì)剛度值的選取進(jìn)行比較細(xì)致的考量。

部分學(xué)者研究得出，使用風(fēng)暴剛度模擬得到的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移最小，而使用安裝后剛度得到的系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度較好，即線張力較小。但是真正在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要用風(fēng)暴剛度來(lái)模擬系泊纜的張力變化，而用安裝后剛度來(lái)得到平臺(tái)的最大位移，從而保證工程具有很好的安全性。

1.3基于模型的初步設(shè)計(jì)流程

在典型的工程實(shí)踐中，利用靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)模型進(jìn)行分析時(shí)，首先使用“準(zhǔn)靜定”模型的靜態(tài)剛度，再使用動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行分析。利用靜態(tài)剛度計(jì)算得到的結(jié)果代表的是受到低頻載荷的平均響應(yīng)，第二次利用動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)值代表的是受到波頻載荷的結(jié)果，再將兩個(gè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)。值得注意的是，為了實(shí)現(xiàn)同樣的預(yù)張力，在第二次過(guò)程中需要調(diào)整線長(zhǎng)度和錨固位置。

與靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)模型類似，采用上界—下界模型也須進(jìn)行兩次，分別使用上界和下界剛度值。不同的是，下界值確定平臺(tái)的最大位移，上界值確定系泊纜的最大張力?？傮w而言，靜態(tài)—?jiǎng)討B(tài)模型基于大量研究結(jié)果得出，符合聚酯纖維的伸長(zhǎng)和載荷響應(yīng)特性，但是較為復(fù)雜，非常依賴材料測(cè)試的結(jié)果。上界—下界模型由于其簡(jiǎn)單易用也被廣泛使用，尤其是在還沒(méi)有依據(jù)材料測(cè)試結(jié)果得到較好的剛度模型時(shí)，但是上下界的選取對(duì)結(jié)果精確度的影響較大，所以上下界值需要謹(jǐn)慎選取。

在進(jìn)行系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)時(shí)，由于所使用的系泊纜繩的材料參數(shù)未知，所以需要對(duì)其最主要的剛度參數(shù)進(jìn)行預(yù)估。美國(guó)船級(jí)社規(guī)范提供了一些模型參數(shù)的選取范圍，需要注意的是，這些推薦值是從聚酯纜永久系泊的工程項(xiàng)目中歸納得出，而且所有的纜繩均受到40%的預(yù)張力。針對(duì)動(dòng)態(tài)剛度的三參數(shù)模型、三區(qū)間模型以及靜態(tài)剛度，分別給出以下推薦值，見(jiàn)表1。

表1　三參數(shù)法模型參數(shù)參考值

表1是根據(jù)5個(gè)海洋工程項(xiàng)目使用的聚酯纜的材料測(cè)試數(shù)據(jù)得出。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，上界值預(yù)估線張力比較保守，而下界值預(yù)估平臺(tái)位移比較保守。通常來(lái)說(shuō)，影響平臺(tái)位移的是靜態(tài)剛度，而非動(dòng)態(tài)剛度。

同樣，在預(yù)估動(dòng)態(tài)剛度值的過(guò)程中，可以用下面的三區(qū)間法，見(jiàn)表2，根據(jù)所受外界動(dòng)態(tài)載荷而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)線張力與圖1中的平均張力的比值劃定動(dòng)態(tài)剛度值選取的不同區(qū)間。

表2　三區(qū)間法動(dòng)態(tài)剛度推薦值

規(guī)范中還考慮了系泊纜繩的使用狀況和強(qiáng)度等級(jí)對(duì)取值的影響，使用狀況細(xì)分成安裝前和老化，強(qiáng)度等級(jí)分為高強(qiáng)度、中強(qiáng)度和低強(qiáng)度，初步設(shè)計(jì)的準(zhǔn)靜定剛度值見(jiàn)表3。

表3　初步設(shè)計(jì)的準(zhǔn)靜定剛度值

2深水半潛式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)模型

圖3　平臺(tái)濕表面模型

圖4　系泊系統(tǒng)布置圖

半潛式平臺(tái)水動(dòng)力模型如圖3所示，平臺(tái)主尺度見(jiàn)表4。

表4　平臺(tái)主尺度

在1 500 m水深下采用張緊式系泊布置。12根系泊線以3根為一組四向?qū)ΨQ分布，通過(guò)4根立柱的導(dǎo)纜器連接平臺(tái)，頂部張角為45°。每一組的系泊纜在水平面上的投影與縱向分別呈37°、40°、45°夾角，如圖4所示。

每一根系泊纜的組成形式均為“錨鏈—聚酯纜—錨鏈”，考慮纜繩回收和釋放操作需要以及聚酯纜材料的特殊要求，中間聚酯纜段上端需遠(yuǎn)離導(dǎo)纜器，不出水且至少在水面100 m以下。海底段為了防止海底土壤與沙塵進(jìn)入聚酯纜中引起的纖維磨損影響纜繩的強(qiáng)度，所以也用錨鏈代替聚酯纜與海底錨固設(shè)備連接。選取實(shí)際材料得到的系泊系統(tǒng)材料參數(shù)見(jiàn)表5。

表5　系泊系統(tǒng)材料屬性

該文采用聚酯纜的“上界-下界模型”，即用安裝后剛度和風(fēng)暴剛度進(jìn)行第一次近似，分別用于計(jì)算平臺(tái)的最大位移以及線張力。

3海洋環(huán)境條件

該文對(duì)完整作業(yè)、破損作業(yè)、完整自存、破損自存四種設(shè)計(jì)工況進(jìn)行分析。作業(yè)工況采用十年一遇的風(fēng)浪流數(shù)據(jù)，自存工況考慮臺(tái)風(fēng)季節(jié)百年一遇的設(shè)計(jì)條件，組合方式則使用百年一遇的風(fēng)和浪加上十年一遇的流，風(fēng)浪流同向并且分析浪向角為0°、30°、60°、90°四個(gè)方向的時(shí)歷結(jié)果，環(huán)境條件參數(shù)見(jiàn)表6。

表6　環(huán)境條件參數(shù)

4系泊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

平臺(tái)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，立管的變形必須在一定范圍之內(nèi)，因此平臺(tái)水平面的運(yùn)動(dòng)位移需滿足規(guī)范要求。同時(shí)，從系泊系統(tǒng)強(qiáng)度考慮，纜繩的線張力也不能過(guò)大，引入線張力安全系數(shù)FOS的概念來(lái)衡量系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度大小，安全系數(shù)見(jiàn)表7。

表7　安全系數(shù)表

5時(shí)域耦合分析結(jié)果

利用AQWA軟件對(duì)深水半潛式平臺(tái)及其張緊式系泊系統(tǒng)的耦合作用進(jìn)行分析。在時(shí)域耦合模擬的過(guò)程中，采用最大響應(yīng)平均值法，即在模擬海洋中的隨機(jī)波浪時(shí)選取5～10個(gè)隨機(jī)種子，將該隨機(jī)海洋環(huán)境下整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)最大值的平均值作為該條件下的設(shè)計(jì)最大響應(yīng)。圖5為自存工況、浪向角0°情況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖6和圖7為相應(yīng)的平臺(tái)位移與纜繩線張力時(shí)歷曲線，自存工況平臺(tái)位移見(jiàn)表8，自存工況纜繩張力見(jiàn)表9。

圖5　平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6　平臺(tái)垂蕩時(shí)歷曲線　　　　　　　　　　　　　　　圖7　#1纜繩張力時(shí)歷曲線

表8　自存工況平臺(tái)位移

表9　自存工況纜繩張力

6單根破斷分析

當(dāng)海上環(huán)境極其惡劣的時(shí)候，平臺(tái)的大幅度運(yùn)動(dòng)將會(huì)在系泊纜繩上產(chǎn)生巨大的張力響應(yīng)，造成纜繩的斷裂，這種情況將會(huì)給整個(gè)平臺(tái)的安全造成不利影響。該文針對(duì)自存工況每種條件下受力最大的聚酯纜進(jìn)行破斷處理，研究其余纜繩的張力平均值和最大值的變化情況，單根破斷前后平臺(tái)位移對(duì)比見(jiàn)表10，單根破斷前后纜繩線張力對(duì)比見(jiàn)表11。

表10　單根破斷前后平臺(tái)位移對(duì)比表

從表10中可以看出，在每種工況下對(duì)應(yīng)線張力最大的纜繩破斷之后，平臺(tái)在水平面上的運(yùn)動(dòng)幅度有了小幅的增加，但是也還在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)?？v蕩、橫蕩、首搖等平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與系泊纜的布置、預(yù)張力等參數(shù)相關(guān)。

表11　單根破斷前后纜繩線張力對(duì)比表

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在任意一根纜繩破斷之后，所在組的其余纜繩的線張力都會(huì)增大，其最大值相比其它組纜繩百分比增長(zhǎng)最大。該例中，在0°、30°情況下斷裂#5纜繩，在60°、90°時(shí)斷裂#11纜繩，而#5、#6、#11纜繩在布置圖中為同一組，所以任意一根纜繩斷裂之后，同組其余纜繩都會(huì)成為主承力纜。

同組其余纜繩的變化情況與單根纜繩破斷之后平臺(tái)的平均位置以及平臺(tái)首向的偏移有關(guān)。在表11中，60°、90°方向風(fēng)浪流作用下，部分纜繩破斷后相比破斷前的線張力有所減小。在單根纜繩破斷之后，必然會(huì)有部分纜繩線張力增大，而其它纜繩張力相對(duì)減小。如果不對(duì)系泊纜進(jìn)行收放操作，平臺(tái)的平衡位置與方位角都會(huì)有所改變。

7結(jié)論

該文對(duì)聚酯纜張緊式系泊的材料特性、法規(guī)要求和模擬方法進(jìn)行了概述，建立了一深水半潛式平臺(tái)水動(dòng)力計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了張緊式系統(tǒng)，對(duì)深水系泊平臺(tái)進(jìn)行了時(shí)域耦合分析，結(jié)果表明，聚酯纜張緊式系泊系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能。設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)在作業(yè)工況下，平臺(tái)的位移響應(yīng)很小，在自存工況下，平臺(tái)的最大位移和規(guī)范值較為接近，而線張力和規(guī)范值相比，安全系數(shù)較高。纜繩單根破斷之后，平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)均有小幅的增加，以縱蕩、橫蕩、首搖運(yùn)動(dòng)較為明顯，但是增加的幅度很小，其變化大小與系泊系統(tǒng)布置以及預(yù)張力等參數(shù)有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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Research on Polyester Taut Mooring for Deepwater Semi-submersible

JIANG Jun-zhe, CHEN Xin-quan

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University,

Shanghai 200240, China)

Abstract：The relevant performance of taut-mooring systems applying polyester ropes indeepwater sea is studied in this paper. Research on material properties and design criteria of polyestermooring are summarized. Coupled dynamic calculation is conducted using two different axial stiffness models to simulate the responses of floater motions and cable dynamics respectively. The condition that one mooring line is assumed to have failed and the consequences of that are discussed by comparing the results of relative responses before and after the failure. The results show that the design of the mooring system is fully compliant with the requirements in the industrial standards.

Keywords：deepwater semi-submersible; polyster; taut mooring; time domain; couple analysis

基金項(xiàng)目：國(guó)家工業(yè)和信息化部海洋工程裝備項(xiàng)目“水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)(一期)”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(E-0813C003)。

中圖分類號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2015)06-0078-08

作者簡(jiǎn)介：姜鈞喆(1992-)，男，碩士研究生。

收稿日期：2015-07-22 2015-05-04