SPAR平臺張緊式與半張緊式系泊性能比較

康 莊，付 森，袁洪濤，王鈺涵

（1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 上海外高橋造船有限公司設計二所，上海 200137）

0 引 言

海洋平臺的定位方式主要有系泊系統(tǒng)定位、動力定位及動力定位+系泊組合定位等 3種，其中系泊系統(tǒng)定位因結構簡單、價格優(yōu)良而得到廣泛應用[1]。系泊系統(tǒng)作為海洋結構物在作業(yè)時用到的定位裝置，對相關平臺、設備、設施的正常運行和工作人員的生命安全有著至關重要的影響。目前國際上通用的系泊系統(tǒng)是半張緊式系泊系統(tǒng)，既可為平臺提供充足的回復力，又可減小平臺的自重[2-3]。張緊式系泊系統(tǒng)采用濕重小的合成纖維材料，具有重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點[4]。

1) 懸鏈線式系泊系統(tǒng)是一種依靠系泊線自重為平臺提供三自由度回復力的系泊系統(tǒng)，當作業(yè)水深＞1500m時，由于懸鏈線式系泊系統(tǒng)的重量和系泊半徑過大，系泊性能嚴重下降。適用于深水作業(yè)的半張緊式和張緊式系泊系統(tǒng)見圖1。

圖1 適用于深水作業(yè)的半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)

2) 半張緊式系泊系統(tǒng)自身重量小，且錨鏈和絲繩的經濟性能良好，使得其成為代替懸鏈線式系泊的首選系泊方式。

3) 張緊式系泊纖維材料的濕重小、系泊半徑小、水平恢復力大、垂向載荷小[5-7]，可在一定程度上降低采購和安裝時的經濟成本。

針對上述系泊系統(tǒng)的特點，應用商業(yè)水動力軟件AQWA對SPAR平臺的半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系統(tǒng)進行水動力計算，分別得到各自的運動和受力曲線，整理數據結果并找出2種系泊方式的優(yōu)劣。

趙戰(zhàn)華[8]對一艘工作水深為1500m的半潛式海洋平臺的張緊式系泊系統(tǒng)進行研究，結果表明該平臺的縱蕩、橫蕩和系泊線張力都要比采用半張緊式系泊系統(tǒng)時明顯小，但隨著錨泊角的增大，垂向力增大的同時，平臺的垂蕩效應加劇。WANG等[9]對淺水中浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）的懸鏈式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)進行研究，對比采用2種系泊系統(tǒng)的FPSO水平位移和回復力，結果表明張緊式系泊系統(tǒng)的性能更優(yōu)、經濟效益更好。

上述研究可為動剛度的計算提供參考，但仍需較為完善的模型來反映非線性應力應變關系，同時計算精度仍有進一步提升的空間。為滿足實際工程需要，本文基于API RP 2SM規(guī)范，針對我國南海作業(yè)環(huán)境下的SPAR平臺，選擇同樣的作業(yè)工況，比較半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)的性能，為今后系泊系統(tǒng)的設計和應用提供參考。

1 系泊系統(tǒng)靜力及動力分析理論

靜力分析和動力分析是數值計算中常用的方式，其中：靜力分析采用懸鏈線法，從單根系泊線入手，可快速預估其幾何形狀及應力分布；動力分析主要有集中質量法和細長桿理論2種方法，可更加準確地預報系泊線在極端海況下的動力響應，以此檢驗應力是否在許用應力范圍之內[10-12]。

1.1 懸鏈線法

采用微元法對無彈性系泊線任意一小段單元進行靜力分析。圖2為無彈性懸鏈線式系泊線靜力圖，其中：ω為系泊線單位長度濕重；θ為張力T與x軸的夾角。平衡方程為

1) 水平方向

2) 豎直方向

忽略式(1)和式(2)中的小量和二階微量，并對其進行積分得

圖2 無彈性懸鏈線式系泊線靜力圖

從式(3)～式(5)中可看出系泊線不同參數之間是相互關聯的，在給定若干個參數之后便可根據已知條件聯合求解未知參數。

1.2 集中質量法

將管線離散成一系列無質量的直彈簧和質量節(jié)點[13]，坐標系見圖3，動力分析控制方程為

式(6)中：M為質點質量；Ajj為質點的附加質量；為微段所受外力。

圖3 集中質量法坐標系

采用Morison公式求解流體拖曳力，有

系泊線動力方程為

式(10)中：fn為法向流體力；fτ為切向流體力；為濕重；I為慣性力。通過數值積分，求解系泊線時域動力方程組可得系泊線張力。

1.3 總體運動方程

SPAR平臺及其系泊系統(tǒng)總體運動方程為

式(11)中：M為平臺質量矩陣；c為阻尼矩陣；k為剛度矩陣；Fs為流體靜力；Fwf為波頻力；Fsv為波浪低頻慢漂力；Fm為系泊力；Fr為立管力；

因此，SPAR平臺運動響應可分為風浪流引起的平均位移、差頻力引起的慢漂運動和波頻力引起的波頻運動等3部分[14]。

2 SPAR平臺系泊系統(tǒng)設計

2.1 SPAR平臺及環(huán)境參數

承載系泊系統(tǒng)的主體為立柱式生產平臺（SPAR），該平臺適用于我國南海海域及墨西哥灣海域，作業(yè)水深為2000m，其主要尺度見表1，模型示意見圖4。平臺及系泊系統(tǒng)的建模和計算工作由大型水動力及系泊分析軟件ANSYS AQWA完成。

表1 SPAR平臺主要尺度

在系泊系統(tǒng)工程應用設計過程中，為保證響應的隨機性，同時更好地校核設計方案可行性，選取南海百年一遇的海況（見表2）作為設計工況，浪向變化范圍為360°，選取8個浪向角。

表2 選取南海百年一遇的海況

2.2 坐標系的定義

依據南海的目標環(huán)境參數及土壤條件，取兩中線面與水線面的交點作為平臺局部坐標系的原點O，環(huán)境載荷的0°沿著x軸正方向，90°沿著y軸的正方向，環(huán)境載荷的方向見圖5。

圖4 SPAR平臺示意

圖5 環(huán)境載荷方向的定義

2.3 系泊準則及設計流程

依據API RP 2SK規(guī)范要求，在設計和分析系泊系統(tǒng)時應考慮完整系泊系統(tǒng)及破損系泊系統(tǒng)2種作業(yè)條件。完整系泊系統(tǒng)即所有系泊線均正常工作，保持一定的張力；破損系泊系統(tǒng)指的是一根系泊線斷開，其他系泊線均正常工作。系泊系統(tǒng)在完整條件下采用不同分析方法對應的系泊線安全系數要求見表3。

表3 系泊線安全系數要求

根據平臺作業(yè)海況和規(guī)范中系泊準則的限制對系泊系統(tǒng)進行設計，先后分析頂張角、導鏈器高度、分段長度、直徑、根數、布置方式及組內夾角等參數對系泊系統(tǒng)性能的影響，并將這些參數按其對材料成本影響的大小排序，遵循短系泊線長度、低材料等級、小直徑和少根數的原則，結合平臺布置逐步深入優(yōu)選方案。為確保2種系泊方式最終的計算結果具有可比性，在設計之初保證2種系泊方式的垂向力相同，平臺初始重心垂向位置均為（0, 0, -68.3）。最終選取的設計方案為：導鏈器高度為-73m，系泊線數量為12根，系泊系統(tǒng)布置形式為3組4根，系泊線組內夾角為5°，2種系泊方式的系泊半徑均為1900m。2種系泊線參數見表4，2種系泊方式數值計算模型見圖6。

表4 半張緊式系泊線和張緊式系泊線參數

圖6 2種系泊方式數值計算模型

3 SPAR平臺張緊式與半張緊式系泊方式性能比較

3.1 完整系泊條件2種系泊方式波頻及低頻計算結果

在8個浪向、2種系泊方式下SPAR平臺水平位移的波頻及低頻極值結果統(tǒng)計見表5和圖7。平臺的其他4個自由度（垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖）的運動幅值與縱蕩和橫蕩相比非常小，限于篇幅，在此不予列出。

表5 2種系泊方式下SPAR平臺縱蕩和橫蕩波頻及低頻極值結果統(tǒng)計 單位：m

圖7 SPAR平臺在半張緊式系泊和張緊式系泊方式下的波頻及低頻結果統(tǒng)計

由以上結果可知：在2種系泊方式中，縱蕩及橫蕩低頻分量均占主要部分，且張緊式系泊系統(tǒng)對應的低頻分量遠遠小于半張緊式系泊系統(tǒng)；而2種系泊方式對平臺水平位移波頻分量幾乎沒有影響。因此，當SPAR平臺在波浪中運動時，平臺的慢漂運動以橫蕩和縱蕩為主要的運動方式，波頻力的影響遠小于慢漂力。

3.2 半張緊式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)系泊線受力

采用數值計算方式，完成對百年一遇的海況及3種條件下SPAR平臺系泊系統(tǒng)的時域耦合分析，得到平臺運動響應及系泊張力等結果；同時，將其與規(guī)范相對比，校核平臺及系泊系統(tǒng)在各種工況下的安全特性。南海目標海域百年一遇的海況下8個浪向對應的系泊線張力計算結果見表6。

表6 2種系泊方式下不同浪向角對應的系泊線張力計算結果

由表6可知，半張緊式系泊系統(tǒng)系泊線的張力極值均大于對應的張緊式系泊系統(tǒng)系泊線的張力極值。

3.3 半張緊系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)運動情況

在完整系泊條件下，SPAR平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)和半張緊式系泊系統(tǒng)在2種海況中的水平運動軌跡見圖8，其中：粗實線部分為采用張緊式系泊系統(tǒng)時在不同浪向下以平衡位置為初始位置穩(wěn)定區(qū)域的3h的運動軌跡；其余線條所示為采用半張緊式系泊系統(tǒng)在不同浪向下以原點為初始位置3h的運動軌跡。

計算系泊系統(tǒng)在完整系泊、不同浪向角下2種系泊方式的水平位移情況，張緊式系泊系統(tǒng)的水平位移為30.04m，半張緊式系泊系統(tǒng)的水平位移最大值為73.71m，可見張緊式系泊系統(tǒng)的水平位移遠小于半張緊式系泊系統(tǒng)，且張緊式系泊系統(tǒng)可有效減小平臺水平位移半徑極值50%以上。

SPAR平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)或半張緊式系泊系統(tǒng)其在穩(wěn)定區(qū)域的軌跡均偏離環(huán)境載荷方向，采用半張緊式系泊系統(tǒng)時軌跡偏離的程度相比采用張緊式系泊系統(tǒng)時大得多，且均在一根系泊線失效的情況下偏離加大。這是由于系泊線在張緊條件下可較好地平衡風浪流載荷力矩，同時能更好地控制平臺低頻慢漂運動。

圖8 平臺3h水平運動軌跡圖

4 結 語

本文采用百年一遇的南海海況計算得到作業(yè)水深為2000m的SPAR平臺系泊系統(tǒng)的動力響應和平臺運動響應結果，發(fā)現系泊系統(tǒng)受力呈明顯的低頻特性，波頻分量基本上無變化。對采用2種系泊方式的SPAR平臺水平位移軌跡進行疊加處理，在相同工況下對比平臺的運動響應，結果表明，在各浪向下SPAR平臺采用張緊式系泊系統(tǒng)的水平偏移遠小于采用半張緊式系泊系統(tǒng)的相應值。張緊式系泊系統(tǒng)抵抗環(huán)境載荷的能力更強，能更好地控制SPAR平臺的低頻慢漂運動。

1) SPAR平臺在2種系泊方式下橫蕩及縱蕩運動過程中，其低頻分量占主導地位。張緊式系泊系統(tǒng)對應的低頻分量遠小于半張緊式系泊系統(tǒng)。

2) 在南海百年一遇的海況下，在保證SPAR平臺的初始垂向位置一致（即半張緊式系泊和張緊式系泊的垂向力相同）的情況下，半張緊式系泊系統(tǒng)的張力極值普遍大于對應的張緊式系泊系統(tǒng)的張力極值。

3) 在分析SPAR平臺的位移情況時，由于張緊式系泊系統(tǒng)可在較好地平衡環(huán)境載荷力矩的同時更好地控制低頻慢漂運動，因此張緊式系泊系統(tǒng)對應的軌跡偏離較半張緊式系泊系統(tǒng)小得多，且均在一根系泊線失效的情況下偏離加大。

4) 在不考慮系泊系統(tǒng)經濟效益的情況下，合理的張緊式系泊系統(tǒng)更適用于在深水作業(yè)的SPAR平臺。