李金來， 梁艷霞

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

張力腿平臺(tái)(Tension Leg Platform，TLP)作為一種較為新型的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，其最早的工程使用可追溯至1984年(HUTTON平臺(tái))。在2000年以前，海洋工程界對(duì)于TLP的研究大多采用基礎(chǔ)理論的方法，張智等[1]對(duì)20世紀(jì)90年代后的TLP發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行歸納，給出當(dāng)時(shí)部分TLP的詳細(xì)數(shù)據(jù)。2000年以后，隨著TLP的基礎(chǔ)理論逐漸成熟、結(jié)構(gòu)型式基本固定，海洋工程界開始將熱點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向?qū)LP動(dòng)力性能、系泊方法等具體問題的設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作。JAIN[2]根據(jù)一階波浪力分析TLP的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，考慮平臺(tái)在規(guī)則波浪力下六自由度的耦合運(yùn)動(dòng)。CHANDRASEKARAN等[3-4]在JAIN的研究基礎(chǔ)上，采用類似的計(jì)算方法，進(jìn)一步研究三邊型TLP在不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況以及不同浪向角對(duì)三邊型和四邊型TLP運(yùn)動(dòng)的影響。TABESHPOUR等[5]采于PM波浪譜模擬隨機(jī)波，考慮隨機(jī)波以任意浪向角作用在結(jié)構(gòu)上的情況，在時(shí)域和頻域中對(duì)TLP進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)分析。李颯等[6]歸納當(dāng)前TLP錨泊系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)的發(fā)展情況。楊雄文等[7]論述TLP的結(jié)構(gòu)型式并對(duì)其總體性能進(jìn)行分析。崔娜等[8]運(yùn)用全耦合分析HARP軟件，對(duì)某傳統(tǒng)TLP及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析，確定其在不同環(huán)境載荷下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及張力筋腱的受力情況；并校核在系泊系統(tǒng)損壞條件下，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及筋腱強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。谷家揚(yáng)等[9]基于數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法，對(duì)隨機(jī)波浪中TLP的耦合運(yùn)動(dòng)及系泊系統(tǒng)特性進(jìn)行研究，得出的結(jié)論是：在較低海況時(shí)，考慮浪和流時(shí)的張力腿與不考慮流的情況差距不大；在較高海況時(shí)，流的影響不可忽略，考慮流的張力腿變化幅度要略大于不考慮流的情況。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于TLP在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的動(dòng)力性能研究已經(jīng)較廣泛和成熟，但對(duì)于TLP碼頭系泊的研究目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)較少。事實(shí)上，TLP的碼頭系泊與其他大型船舶或海洋結(jié)構(gòu)物有相似之處，但又存在較大差異，主要為系泊方案、系泊力的計(jì)算、系泊應(yīng)急預(yù)案的編制等差異。本文主要針對(duì)上述問題展開研究。

1 系泊方案設(shè)計(jì)

圖1 L型碼頭系泊方案

TLP具有平臺(tái)的共同特性，即具有較小的長(zhǎng)寬比。但是又具有不同于其他平臺(tái)的特殊性，如突出的立柱，立柱上設(shè)置有突出的張緊器等。TLP碼頭的系泊方案應(yīng)當(dāng)充分考慮上述特殊性，并遵循以下原則：(1)系泊纜應(yīng)盡量關(guān)于平臺(tái)對(duì)稱布置；(2)橫纜應(yīng)盡量垂直于平臺(tái)的中縱剖面，且盡量接近舷側(cè)；(3)倒纜應(yīng)盡量與平臺(tái)的中縱剖面平行；(4)盡量減少系泊纜的垂向角度；(5)所有系泊纜應(yīng)盡可能采用相同材料且直徑相同；(6)應(yīng)保持相同功能的纜繩粗細(xì)和材料相同；(7)應(yīng)盡量使具有相同功能的系泊纜長(zhǎng)度一致，以使得較短的系泊纜能吸收更多載荷。此外，由于TLP上部模塊的水平范圍大于浮體的范圍，因此系泊時(shí)應(yīng)在平臺(tái)與碼頭之間設(shè)置浮箱。浮箱一方面可以起緩沖作用，另一方面可以保證TLP的系泊安全。

本文重點(diǎn)研究深水TLP的系泊問題。平臺(tái)的主尺度為：立柱間距54.5 m，立柱直徑17.8 m，立柱高度46.2 m，浮箱寬度9.07 m，浮箱高度7 m，上部模塊甲板尺寸61.4 m×56.1 m，上部模塊甲板型深8 m。L型碼頭系泊是海洋平臺(tái)舾裝系泊的常用方法。按照上述原則，設(shè)計(jì)深水TLP在L型碼頭的系泊方案，如圖1所示。系泊方案中采用11根纜繩，其中1#、6#～11# 等7根纜繩用于固定碼頭與平臺(tái)，2#與3#用于固定浮箱與平臺(tái)，4#與5#也用于固定浮箱與平臺(tái)。

2 環(huán)境載荷

系泊中需要考慮風(fēng)、流和波浪載荷，環(huán)境載荷參數(shù)需要根據(jù)舾裝碼頭的水文氣象資料選取。

2.1 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷以最惡劣的側(cè)面受風(fēng)狀態(tài)計(jì)算：

(1)

式中：Ka為系數(shù)，橫向系數(shù)取Ka=0.073 5，縱向系數(shù)取Ka=0.042 9；Aa為水線以上風(fēng)壓方向投影面積；Va為相對(duì)風(fēng)速。

2.2 流載荷計(jì)算

前后方向流載荷為

RwL=9.81×0.121 2Aw[(Vw+Vs)2+0.330(Vw+Vs)]×10-3

(2)

式中：Aw為平臺(tái)的浸水面積；Vw為潮流速度；Vs為平臺(tái)移動(dòng)速度。

2.3 波浪載荷計(jì)算

基于勢(shì)流理論基本假設(shè)計(jì)算TLP系泊的波浪載荷。一階速度勢(shì)的控制方程和定解條件：

控制方程為

2φ(x,y,z,t)=0

(3)

自由面條件為

(4)

式中：g為重力加速度。

物面條件為

(5)

式中：S為物體的外表面；n為物面外法向單位矢量；Un為物體的運(yùn)動(dòng)速度。

底部條件為

(6)

式中：H為水深。

應(yīng)用疊加原理，總的速度勢(shì)可表達(dá)為

φ(x,y,z,t)=φI(x,y,z,t)+φD(x,y,z,t)+φR(x,y,z,t)

(7)

圖2 TLP的邊界元模型

式中：φI為入射勢(shì)；φD為繞射勢(shì)；φR為輻射勢(shì)。

本文采用AQWA軟件求解上述問題。在AQWA軟件中，速度勢(shì)的求解采用邊界元法?；诰€性波理論對(duì)平臺(tái)的性能進(jìn)行分析，僅需考慮平臺(tái)在靜水面以下的部分。為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格尺寸應(yīng)不大于環(huán)境載荷最小波長(zhǎng)的1/7，但過小的網(wǎng)格尺寸會(huì)顯著增加計(jì)算量，降低計(jì)算速度。綜合考慮精度與效率問題，本文將網(wǎng)格尺寸取1 200 mm。TLP三維邊界元模型如圖2所示。

2.4 頻域分析

分別計(jì)算平臺(tái)的力、速度、加速度等的幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator，RAO)，如圖3所示。根據(jù)頻域的計(jì)算結(jié)果，可以得到不同海浪頻率下的波高分布圖。頻率0.349 rad/s、方向-180°的波高分布如圖4所示。

圖3 橫蕩運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子 圖4 頻域數(shù)值模擬頻率0.349 rad/s、方向-180°的波高分布

由圖4可以看出：在-180°浪向下，響應(yīng)函數(shù)RAO在橫蕩方向上隨著頻率變化較大，波高的最大值為1.74 m，得到有義波高在1.0 m附近。在AQWA軟件中，得到TLP在6個(gè)自由度上的總體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，為時(shí)域計(jì)算中纜繩拉力的計(jì)算提供數(shù)據(jù)。

2.5 環(huán)境參數(shù)的選擇

圖5 10#纜繩受力時(shí)域分析

針對(duì)本項(xiàng)目研究的深水TLP，環(huán)境載荷的選取見表1。根據(jù)表1的參數(shù)，分別計(jì)算風(fēng)載荷、流載荷和波浪載荷，用于系泊分析。

表1 TLP系泊載荷環(huán)境

3 時(shí)域分析

3.1 時(shí)域分析方法

將頻域計(jì)算得出的TLP附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、波浪激勵(lì)力以及每個(gè)波長(zhǎng)、每個(gè)波浪方向上的漂移力輸入AQWA-DRIFT模塊，計(jì)算平臺(tái)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在給定波浪譜的隨機(jī)波條件下的慢漂運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。同時(shí)，在模型中建立平臺(tái)系泊點(diǎn)和碼頭系泊點(diǎn)，將纜繩布置方案計(jì)入計(jì)算模型，對(duì)各纜繩的系纜力進(jìn)行計(jì)算，分析各纜繩的系泊力。

3.2 深水半潛式鉆井平臺(tái)纜繩最大拉力分析

采用時(shí)域分析方法，可以得到各纜繩的最大拉力。在圖1所示系泊方案下，10#纜繩的受力時(shí)域曲線如圖5所示，可以看出：在惡劣條件下，纜繩最大拉力達(dá)到1 134 kN，平穩(wěn)階段纜繩的最大拉力平均為330 kN，可為纜繩的選擇提供依據(jù)。

繪制圖1所示方案中11根纜繩的拉力時(shí)域分布曲線，從中得到平穩(wěn)狀態(tài)下纜繩的最大拉力值，見表2。經(jīng)校核，各纜繩的最大拉力均小于破斷拉力的50%，系泊方案滿足強(qiáng)度要求。

表2 平穩(wěn)階段各纜繩的最大拉力 kN

4 應(yīng)急預(yù)案的準(zhǔn)備

在平臺(tái)碼頭系泊完成后，必須保證一天24 h對(duì)船塢、系泊纜繩進(jìn)行監(jiān)護(hù)。對(duì)于系纜繩穿過導(dǎo)索孔的部分，要特別注意，隨時(shí)關(guān)注任何損耗跡象的發(fā)生。盡量保證所有系泊纜繩一直保持相同的拉力。如果港區(qū)潮差較大，落潮時(shí)系泊纜繩會(huì)變松弛，漲潮時(shí)纜繩又變緊，因此要對(duì)纜繩力進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。

當(dāng)風(fēng)力超過8級(jí)(風(fēng)速大于17.2 m/s)時(shí)，需專人24 h額外看護(hù)；當(dāng)風(fēng)力等于或者大于10級(jí)(風(fēng)速大于24.5 m/s)時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)系泊安全應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案?？紤]到平臺(tái)碼頭系泊的具體情況，應(yīng)急預(yù)案的準(zhǔn)備如下：(1)在已有浮箱兩側(cè)增加浮箱靠球，保證平臺(tái)在與碼頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，不損傷碼頭和平臺(tái)；(2)所有的纜繩和登船設(shè)施都要仔細(xì)進(jìn)行檢測(cè)以確定是否有損壞。如果有損壞，必須立即采取增補(bǔ)纜繩的措施進(jìn)行補(bǔ)救；(3)在已有系纜索基礎(chǔ)上，增加纜繩，使得每個(gè)系泊點(diǎn)都是同規(guī)格雙纜，且張緊度相同；(4)TLP緊急打壓載水，讓平臺(tái)迅速下沉降低高度；(5)連接平臺(tái)水下部分和碼頭水底；(6)平臺(tái)上所有施工人員和工作人員撤離；(7)拆除平臺(tái)中較高的結(jié)構(gòu)物，并將平臺(tái)較高結(jié)構(gòu)物與碼頭用纜繩連接；(8)將平臺(tái)上部模塊4個(gè)方向用纜繩固定，并將纜繩固定于碼頭吊機(jī)的吊鉤上，升高吊鉤使纜繩預(yù)張緊。

5 結(jié) 論

(1) 對(duì)比各種TLP的碼頭系泊方案，L型的系泊方案最佳，轉(zhuǎn)角處的纜繩拉力最大，可以在此處加強(qiáng)安全監(jiān)控。

(2) 在一個(gè)潮汐周期內(nèi)：漲潮時(shí)，TLP相對(duì)碼頭上升，系泊纜松弛，約束減少，在極端天氣時(shí)，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大，顯著增加系纜力；落潮時(shí)，TLP相對(duì)碼頭下降，系泊纜張緊，約束增加，在極端天氣時(shí)，纜繩張緊約束TLP不做劇烈運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，系纜力減小。

(3) 采用AQWA-DRIFT模塊對(duì)纜繩受力情況進(jìn)行時(shí)域數(shù)值模擬，能計(jì)算出各個(gè)纜繩的受力情況。應(yīng)急預(yù)案要考慮極端天氣條件，選擇合適的纜繩，必要時(shí)應(yīng)增加系攬。