丁愛(ài)兵， 汪學(xué)鋒， 徐勝文

(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)

0 引 言

海洋平臺(tái)的定位技術(shù)是關(guān)系到其整體可用性和安全性的重要難題，是平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前世界上常用的定位方式主要有系泊定位、動(dòng)力定位和錨泊輔助動(dòng)力定位等[1]。其中，系泊定位指海洋平臺(tái)通過(guò)系泊纜索系固在海底以保持平臺(tái)目標(biāo)定位位置的定位方式，其在淺水環(huán)境中使用范圍較廣，是一種較為傳統(tǒng)、成熟的定位方式。本文所研究的半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)以保障島礁居民的生產(chǎn)生活為目標(biāo)，主要布置于島礁附近，由于系泊系統(tǒng)面臨著近島礁水深極淺、海底地形變化較大等特殊環(huán)境條件，因此采用非對(duì)稱懸鏈線系泊方式[2]。

針對(duì)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能分析評(píng)估需要兼顧平臺(tái)的定位和安全性需求，既須合理約束平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以保證其安全作業(yè)，又須確保系泊系統(tǒng)受力滿足規(guī)范要求的安全因數(shù)[3]。系泊系統(tǒng)性能分析評(píng)估主要采用數(shù)值分析和水池模型試驗(yàn)等手段。其中，數(shù)值分析方法主要有3種：靜態(tài)法、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)法、動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法僅計(jì)算浮體所受的平均載荷，不考慮作用于系泊纜上的慣性力和黏性力，通過(guò)求解靜態(tài)懸鏈線方程或系泊受力-位移曲線來(lái)分配載荷[4]，這種方法較為簡(jiǎn)單，能快速獲取系泊系統(tǒng)的剛度曲線等重要靜力參數(shù)[5]，主要應(yīng)用于初步設(shè)計(jì)。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)法同樣不考慮系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性，但考慮平臺(tái)的定常和慢漂運(yùn)動(dòng)，并且將系泊系統(tǒng)和浮體集成在一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型中，該方法雖然不能完全考慮系泊系統(tǒng)與浮體之間的耦合作用，但能體現(xiàn)浮體的動(dòng)力特性和系泊系統(tǒng)的非線性剛度，具有計(jì)算速度快、結(jié)果較為準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)法則完全考慮系泊系統(tǒng)與浮體之間的耦合作用，如剛度、阻尼、波浪和流載荷以及慣性力等，將錨泊系統(tǒng)和浮體在一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程中同時(shí)求解[6]，計(jì)算結(jié)果最為準(zhǔn)確，但計(jì)算過(guò)程需要花費(fèi)大量時(shí)間。此外，為獲得理論計(jì)算中難以預(yù)報(bào)的非線性水動(dòng)力特性，更精確地驗(yàn)證海洋平臺(tái)系泊性能，還需要結(jié)合水池模型試驗(yàn)進(jìn)一步完善分析評(píng)估結(jié)果[7]。

本文以島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)為研究對(duì)象，綜合考慮近島礁海底極淺水、變水深地形條件，采用基于集中質(zhì)量模型的動(dòng)態(tài)時(shí)域模擬方法對(duì)浮體-系泊耦合系統(tǒng)開(kāi)展數(shù)值分析，并結(jié)合水池模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 數(shù)值分析

1.1 海洋平臺(tái)水動(dòng)力分析理論

海洋平臺(tái)在海上受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境力的作用，產(chǎn)生六自由度運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)與受力之間的關(guān)系可表示為

(1)

F=FW+FC+FWD+FS+FR+FM

(2)

式中：FW、FC、FWD分別為平臺(tái)受到的波浪力、流力、風(fēng)力；FS、FR分別為平臺(tái)受到的流體靜恢復(fù)力和流體動(dòng)力；FM為系泊系統(tǒng)的作用力，可通過(guò)求解懸鏈線方程得到。

對(duì)于FS和FR，分別有：

FS=-CijX

(3)

(4)

(5)

基于上述理論方法，針對(duì)近島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)開(kāi)展數(shù)值分析：首先在Patran-Pre中建立平臺(tái)主體有限元模型；再導(dǎo)入HydroD進(jìn)行頻域分析，求解水動(dòng)力參數(shù)；最后導(dǎo)入OrcaFlex建立浮體水動(dòng)力模型，結(jié)合海底條件，完成平臺(tái)主體與系泊系統(tǒng)的非線性時(shí)域耦合分析[8]。

1.2 平臺(tái)模型

島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)由上部甲板、立柱、下浮體等3部分組成，其總布置如圖1所示，相關(guān)主尺度參數(shù)如表1所示。

單位：mm圖1 半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)總布置

表1 半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)主要參數(shù)

為簡(jiǎn)化建模過(guò)程，只需建立水面以下的平臺(tái)主體模型即可。島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)水面以下部分主要由浮體、立柱和橫撐所組成。圖2為HydroD中平臺(tái)水線面以下部分的網(wǎng)格模型。隨后設(shè)置相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行頻域分析，并求解水動(dòng)力參數(shù)[9]。

圖2 HydroD中半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)網(wǎng)格模型

1.3 地形條件

半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)布置在島礁附近，水深為10～15 m。由于平臺(tái)兩側(cè)水深變化較大，錨鏈布置點(diǎn)水深不一，在數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中均需考慮地形條件的影響。計(jì)算中，將海底地形簡(jiǎn)化為不同斜率的二維斜坡，平臺(tái)中心位置水深為10 m，如圖3所示。

單位：m圖3 平臺(tái)布置處地形簡(jiǎn)化示例

1.4 系泊系統(tǒng)模型

島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)系泊系統(tǒng)采用8根懸鏈線系泊，如圖4所示：錨鏈分為4組，每組錨鏈中心與x軸夾角為15°，2根錨鏈之間夾角為7.5°。受海底地形條件影響，平臺(tái)兩側(cè)水深不同，系泊系統(tǒng)采用非對(duì)稱布置，系泊錨鏈長(zhǎng)度不同：1號(hào)～4號(hào)錨鏈靠近島礁，水深較淺，長(zhǎng)度稍短；5號(hào)～8號(hào)錨鏈布置于遠(yuǎn)岸端，水深較深，錨鏈相對(duì)較長(zhǎng)。

圖4 系泊系統(tǒng)布置

由于近島礁水深極淺，懸鏈線效應(yīng)不顯著，因此在常規(guī)系泊錨鏈基礎(chǔ)上增加配重塊，距導(dǎo)纜孔10 m處開(kāi)始布配重塊，相鄰配重塊間距為5 m，每個(gè)配重塊重5 t。表2為錨鏈及配重塊的具體設(shè)置。圖5為OrcaFlex中考慮地形條件的浮體-系泊系統(tǒng)模型。

表2 系泊系統(tǒng)主要參數(shù)

圖5 OrcaFlex中浮體-系泊系統(tǒng)模型

1.5 環(huán)境工況

平臺(tái)布置在近島礁淺水水域，外部環(huán)境力主要考慮波浪力和風(fēng)力，暫不考慮海流的影響。由于平臺(tái)靠近島礁，當(dāng)波浪從深水區(qū)傳遞至平臺(tái)位置時(shí)，浪向逐漸垂直于海岸線，因此波浪方向?yàn)閳D4所示坐標(biāo)系中x軸270°方向。不規(guī)則波的模擬采用JONSWAP譜，目標(biāo)譜公式為

(6)

主要針對(duì)平臺(tái)布置位置的工作海況和臺(tái)風(fēng)海況進(jìn)行系泊性能分析，同時(shí)考慮單根錨鏈破斷情況下的系泊系統(tǒng)安全性，表3列出數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)3個(gè)工況的具體參數(shù)，其中：工況1為工作海況；工況2和工況3均為臺(tái)風(fēng)海況，工況3主要研究臺(tái)風(fēng)海況下單根錨鏈破斷時(shí)的系泊系統(tǒng)安全性。

表3 主要研究工況參數(shù)

2 模型試驗(yàn)

系泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)方法的主要理論基礎(chǔ)是相似理論，海洋平臺(tái)在波浪中的模型和實(shí)體兩個(gè)系統(tǒng)需要滿足3個(gè)相似條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。在模型試驗(yàn)中通常保持弗勞德數(shù)和施特魯哈爾數(shù)相等[10]，即

(7)

(8)

式(7)和式(8)中:Vs、Ls、Ts分別為平臺(tái)實(shí)體的特征速度、特征線尺度和周期；Vm、Lm、Tm分別為模型的特征速度、特征線尺度和周期；g為重力加速度。

模型試驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程水池中進(jìn)行，綜合考慮水池的尺度和試驗(yàn)?zāi)芰?，模型縮尺比選為1∶36。試驗(yàn)中需要充分考慮海底地形對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，在原水池假底的基礎(chǔ)上，增加模擬圖3中地形的斜坡假底裝置，如圖6所示。試驗(yàn)中風(fēng)的模擬采用定常風(fēng)，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)模擬不同海上環(huán)境工況。不規(guī)則波浪的模擬采用JONSWAP譜，按照表3中的參數(shù)，每個(gè)工況造波時(shí)間不小于30 min，對(duì)應(yīng)實(shí)際3 h。

圖6 平臺(tái)系泊系統(tǒng)水池模型試驗(yàn)

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 平臺(tái)波浪時(shí)歷曲線對(duì)比

圖7為數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中波浪表面高度時(shí)歷對(duì)比。圖8為數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)中波浪譜與目標(biāo)譜的對(duì)比。由圖7和圖8可知：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)譜的吻合較好，受地形模擬裝置實(shí)際尺寸限制和各種誤差影響，模型試驗(yàn)的波高和波浪譜較數(shù)值計(jì)算結(jié)果稍高。

3.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)果對(duì)比

環(huán)境力的方向?yàn)?70°，對(duì)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)在橫蕩和橫搖方向上的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較顯著。因此，對(duì)橫蕩和橫搖的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖9～圖11分別為3種工況下平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線。表4為3種工況下平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

圖7 平臺(tái)波浪時(shí)歷曲線對(duì)比

圖8 平臺(tái)波浪譜對(duì)比

圖9 平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷對(duì)比(工況1)

圖10 平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷對(duì)比(工況2)

圖11 平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷對(duì)比(工況3)

表4 平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值對(duì)比

(1) 各工況下平臺(tái)橫蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線均顯示平臺(tái)的定位比較穩(wěn)定，盡管時(shí)歷并不完全吻合，但其響應(yīng)幅值和均值基本相同。因此，可認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是可信的。

(2) 在工作海況下，平臺(tái)在橫蕩和橫搖方向上數(shù)值計(jì)算的最大值比模型試驗(yàn)結(jié)果稍大一些，分別為2.11 m和3.87°，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)在合理的范圍內(nèi)。

(3) 在臺(tái)風(fēng)海況下：平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)為-2～-4 m，最大值在-6 m附近；平臺(tái)橫搖運(yùn)動(dòng)的平均值約-2°，最大值在-7°附近。雖然數(shù)值相對(duì)較大，但臺(tái)風(fēng)海況對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的要求較低，其運(yùn)動(dòng)也在可接受范圍內(nèi)。

3.3 系泊力結(jié)果對(duì)比

表5為工作海況下各錨鏈系泊力的對(duì)比結(jié)果。由表5可知：該海況下平臺(tái)受到的環(huán)境力較小，在平臺(tái)定位過(guò)程中，各系泊纜的變形在一個(gè)短期波浪模擬中基本相同，各系泊纜的最大張力也呈現(xiàn)較為相近的水平，遠(yuǎn)小于錨鏈的破斷強(qiáng)度。

表5 工況1各錨鏈系泊力 t

表6和表7分別為臺(tái)風(fēng)海況下錨鏈完整狀態(tài)和單根錨鏈破斷狀態(tài)下的系泊力結(jié)果，由對(duì)比可知：

(1) 不同于工作海況，臺(tái)風(fēng)海況下來(lái)浪方向的5號(hào)～8號(hào)錨鏈?zhǔn)芰γ黠@大于另一側(cè)的1號(hào)～4號(hào)錨鏈。

(2) 當(dāng)錨鏈處于完整狀態(tài)時(shí)，最大系泊力出現(xiàn)在6號(hào)和7號(hào)錨鏈上， 7號(hào)錨鏈的破斷對(duì)6號(hào)和8號(hào)錨鏈的受力影響較大，與7號(hào)錨鏈同組的8號(hào)錨鏈系泊力顯著增大，6號(hào)錨鏈的系泊力也有所增加。

(3) 錨鏈完整狀態(tài)下的最大系泊力為108 t，安全因數(shù)為3.06；單根錨鏈破斷狀態(tài)下的最大系泊力為134 t，安全因數(shù)為2.46：均符合規(guī)范要求。

(4) 系泊力最大值的數(shù)值計(jì)算結(jié)果略大，均值相差較小，這可能是由數(shù)值計(jì)算中忽略斜坡假底造成的。

表6 工況2各錨鏈系泊力 t

表7 工況3各錨鏈系泊力 t

圖12為臺(tái)風(fēng)海況下較為典型的8號(hào)錨鏈?zhǔn)芰r(shí)歷曲線。由圖12可知：雖然模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的最大值有所差異，但均值相差不大，其結(jié)果都比較穩(wěn)定，說(shuō)明在臺(tái)風(fēng)海況下所設(shè)計(jì)的系泊方案可以較安全地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)定位功能。

圖12 8號(hào)錨鏈系泊力時(shí)歷對(duì)比

4 結(jié) 論

針對(duì)島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)在極淺水、變水深的特殊地形條件下所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱系泊系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的方法開(kāi)展系泊性能研究。對(duì)數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，系泊力最大值的數(shù)值計(jì)算結(jié)果略大，這可能是由數(shù)值計(jì)算中忽略斜坡假底造成的。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：在工作海況下，平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)均在合理范圍內(nèi)，可以較好地保持定位；在臺(tái)風(fēng)海況下，無(wú)論在完整狀態(tài)還是單根錨鏈破斷狀態(tài)下，系泊系統(tǒng)的安全因數(shù)均高于規(guī)范要求，充分證明系泊系統(tǒng)的安全性。

研究有效地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的性能，為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化等工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)還可以為平臺(tái)的實(shí)際工程安裝布置提供理論和技術(shù)支撐。