閆宏生， 高率群， 李懷亮， 于文太， 孟祥偉

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

近年來(lái)，隨著海洋油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)逐漸從近海走向深海，海洋平臺(tái)需要進(jìn)入海況更惡劣的深海進(jìn)行工作，這對(duì)其系泊系統(tǒng)的特性提出更高的要求[1-2]。海洋平臺(tái)大多采用懸鏈線(xiàn)式和張緊式布置的系泊系統(tǒng)[3]。與在淺海應(yīng)用較為廣泛的懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)相比，張緊式系泊系統(tǒng)更適于深海作業(yè)，且考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜多變性，平臺(tái)在深海中系泊時(shí)可能會(huì)遭受某些極端載荷，導(dǎo)致部分系泊纜發(fā)生斷裂[4]，對(duì)2種系泊方式下系泊纜的完整性和破斷狀態(tài)的安全性進(jìn)行深入細(xì)致的研究顯得日益迫切。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)深水海洋平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行大量的研究。HONG[5]采用頻域的計(jì)算方法研究張緊式系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性，進(jìn)而明確系泊纜的張力由準(zhǔn)靜力和隨機(jī)動(dòng)力兩部分構(gòu)成。SMITH等[6]對(duì)對(duì)稱(chēng)分布的系泊系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析各個(gè)浪向下系泊纜的不同布置角度對(duì)平臺(tái)回復(fù)力性能的影響。VECCHIO[7]研究聚酯纜的剛度模型，并提出當(dāng)系泊系統(tǒng)采用輕質(zhì)聚酯纖維材料時(shí)系泊性能會(huì)有較大幅度的提高。KIM等[8]采用時(shí)域分析方法以某桁架式Spar平臺(tái)為研究對(duì)象，研究平臺(tái)與系泊系統(tǒng)在耦合作用和非耦合作用兩種情況下的動(dòng)力效應(yīng)。FERNANDES等[9]探討聚酯纜的非線(xiàn)性問(wèn)題，并將聚酯纜材料與普通材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明聚酯纜存在明顯的滯后現(xiàn)象。王宏偉等[10]針對(duì)某半潛式鉆井平臺(tái), 選擇滌綸(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)等3種纖維材料的系泊纜，對(duì)其系泊系統(tǒng)進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)分析，分別討論系泊纜材料對(duì)平臺(tái)總體性能和系泊纜受力的影響。范亞麗等[11]和姜鈞喆等[12]設(shè)計(jì)多種張緊式系泊方案，并進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性分析。童波等[13]研究系泊纜完整狀態(tài)下張緊式和懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性的影響。余龍等[14]針對(duì)多成分錨泊線(xiàn)的組合優(yōu)化問(wèn)題，綜合考慮錨泊線(xiàn)的回復(fù)力、重量與長(zhǎng)度等因素，建立深水多成分組合的優(yōu)化模型，結(jié)合遺傳算法求解確定模型的最佳形式。朱曉洋等[15]分析張緊式系泊纜破斷時(shí)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩張力的變化情況。

基于上述研究，本文以某工作水深為1 400 m的半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，采用時(shí)域耦合分析方法，充分考慮風(fēng)浪流等環(huán)境載荷的綜合作用，比較采用張緊式與懸鏈線(xiàn)式系泊的半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)特性，并對(duì)極端載荷作用下部分系泊纜破斷后平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和其余系泊纜張力的變化情況進(jìn)行比較分析，為系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 系泊系統(tǒng)基本特性

目前已有的海洋平臺(tái)的定位方式主要有動(dòng)力定位、系泊定位和系泊-動(dòng)力定位等3種[16]。其中，多點(diǎn)系泊定位系統(tǒng)以其成本低、可靠度高、施工方便等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于深水海洋平臺(tái)上，其主要方式包括張緊式系泊和懸鏈線(xiàn)式系泊。系泊系統(tǒng)一般通過(guò)系泊纜張力和幾何變形來(lái)抵抗平臺(tái)所受的外部環(huán)境載荷，張緊式系泊系統(tǒng)利用系泊纜的彈性伸長(zhǎng)為平臺(tái)提供各個(gè)方向上的回復(fù)力，懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)則依靠系泊纜自身的重力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的定位。

由于導(dǎo)纜孔處動(dòng)張力過(guò)大且海底段磨損較嚴(yán)重，懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)通常采用三段式結(jié)構(gòu)，即只在中間段采用質(zhì)量較小、強(qiáng)度較低的鋼纜結(jié)構(gòu)而在系泊纜兩端采用耐磨性強(qiáng)、伸長(zhǎng)率低、強(qiáng)度高且質(zhì)量大的鋼鏈。懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)在多種海底土質(zhì)中均可適用，對(duì)錨固基礎(chǔ)的要求較低，且設(shè)備技術(shù)簡(jiǎn)單，安裝成本較低，廣泛應(yīng)用于作業(yè)水深小于1 000 m的海洋環(huán)境。但隨著水深的不斷加深，懸鏈線(xiàn)式系泊纜的自身重力也在不斷增加，平臺(tái)豎向載荷的迅速加大不僅使得甲板載重量大幅減小，在一定程度上增加了對(duì)浮力的需求，降低了系泊的有效性，而且導(dǎo)致導(dǎo)纜孔處系泊纜的張力傾角變大，間接影響系泊纜的水平回復(fù)力，使得平臺(tái)的水平偏移增大。

張緊式系泊的出現(xiàn)剛好可以解決懸鏈線(xiàn)式系泊在深海中呈現(xiàn)的一些問(wèn)題。張緊式系泊系統(tǒng)通常采用鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈三段式連接方式，由于其在水中近乎呈直線(xiàn)狀，在海底沒(méi)有躺地段，因此無(wú)須鋪設(shè)很長(zhǎng)的鋼鏈，并且中間段用重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗疲勞性能佳的聚酯纜代替普通鋼纜。這不僅在一定程度上減輕平臺(tái)質(zhì)量、增大可變載荷，而且大幅減小存儲(chǔ)所需空間，為有效解決懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)的短板問(wèn)題提供可行性方案。近年來(lái)，隨著吸力錨和法向承載錨技術(shù)的逐漸成熟，張緊式系泊系統(tǒng)在深水海域得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。但由于聚酯纜材料機(jī)理不確定性的存在，在發(fā)生較大應(yīng)變時(shí)會(huì)引起復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題(如滯后效應(yīng))，因此難以直接模擬聚酯纜的動(dòng)力特性。在工程實(shí)際中常用基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式獲得其彈性模量E[17]：

(1)

式中：ρ為聚酯纜的密度；Tm為平均張力；Ta為載荷幅值；P為激勵(lì)周期；α、β、γ和δ分別為相對(duì)應(yīng)的系數(shù)，對(duì)于不同的纜繩，可通過(guò)試驗(yàn)確定。

張緊式系泊系統(tǒng)與懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)的區(qū)別如圖1和圖2所示。

圖1 張緊式系泊系統(tǒng)示例

圖2 懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)示例

由圖1和圖2可知，張緊式系泊系統(tǒng)的系泊半徑和系泊纜的長(zhǎng)度都比懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)小很多。系泊半徑過(guò)大會(huì)對(duì)附近管纜的鋪設(shè)及其他平臺(tái)或船只在該區(qū)域的系泊產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而威脅系泊系統(tǒng)自身的安全；系泊纜的長(zhǎng)度直接影響系統(tǒng)的制造成本。因此，對(duì)于深水作業(yè)的平臺(tái)來(lái)說(shuō)，張緊式系泊系統(tǒng)不論在可行性還是經(jīng)濟(jì)性方面都明顯優(yōu)于懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)。

2 平臺(tái)系泊系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)

2.1 平臺(tái)基本尺度

以某工作水深為1 400 m的半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，該平臺(tái)具有4個(gè)下浮體、4個(gè)立柱和雙層甲板，甲板以下部分基本沿中橫、中縱剖面對(duì)稱(chēng)，下浮體相互貫通，內(nèi)置淡水艙，立柱內(nèi)也設(shè)置艙室，可裝壓載水和工作設(shè)備等。半潛式平臺(tái)主體視圖如圖3所示，主尺度參數(shù)如表1所示。

圖3 半潛式平臺(tái)主體視圖

表1 半潛式平臺(tái)主尺度參數(shù)

2.2 系泊系統(tǒng)模型

張緊式和懸鏈線(xiàn)式布置圖如圖4所示。2種系泊方式都采用4×3的組式對(duì)稱(chēng)布置的方式，系泊纜間夾角為6°，具體參數(shù)如表2所示。

圖4 系泊系統(tǒng)布置圖

表2 系泊系統(tǒng)系泊纜的材料屬性

2.3 海洋環(huán)境條件

平臺(tái)的作業(yè)海域?yàn)橹袊?guó)南海，在系泊系統(tǒng)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程中，為更好地保證平臺(tái)響應(yīng)的隨機(jī)性并在此基礎(chǔ)上對(duì)系泊方案的可行性進(jìn)行校核，選取某設(shè)計(jì)工況的風(fēng)浪流參數(shù)作為環(huán)境條件，波浪采用JONSWAP譜，具體參數(shù)如表3所示。

表3 目標(biāo)海域的環(huán)境條件

2.4 系泊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

完整狀態(tài)指在所有系泊纜都保持完好的情況下系泊系統(tǒng)及半潛式平臺(tái)正常工作所處的狀態(tài)；破斷狀態(tài)指當(dāng)某根系泊纜由于某種原因斷裂或失效后系泊系統(tǒng)及半潛式平臺(tái)工作的狀態(tài)。為了防止損壞工作設(shè)備和立管等，半潛式平臺(tái)的偏移量(系泊纜最大水平偏移與水深之比)必須控制在一定的范圍內(nèi)。從系泊系統(tǒng)強(qiáng)度考慮，系泊纜的張力也不能過(guò)大，因此引入張力安全因數(shù)(系泊纜破斷強(qiáng)度與所受最大張力之比)作為安全程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)[18]。依據(jù)API RP 2SK[19]和API RP 2SM[20]規(guī)范要求，采用動(dòng)力分析方法，平臺(tái)偏移量和系泊纜張力極限的具體規(guī)定如表4所示。

表4 API RP 2SK和API RP 2SM規(guī)范的位移要求和張力極限

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 完整狀態(tài)下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力特性

理論上，當(dāng)平臺(tái)受到的風(fēng)、浪、流三者同向作用時(shí)，系泊系統(tǒng)產(chǎn)生最大臨界力。因此，在計(jì)算中假定風(fēng)、浪、流在同一方向上，再以與x軸正方向成 0°、45°、90°等3個(gè)方向?yàn)槔M(jìn)行分析，具體方向如圖4所示。因篇幅有限，僅列舉90°方向環(huán)境力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在該方向的環(huán)境力作用下，平臺(tái)偏移量和系泊纜動(dòng)張力均達(dá)到最大值，更能說(shuō)明問(wèn)題。

根據(jù)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用大型水動(dòng)力軟件OrcaFlex[21]對(duì)深水半潛式平臺(tái)及其2種形式的系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)力分析。將計(jì)算時(shí)間設(shè)置為10 800 s，通過(guò)模擬可以得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜的張力情況，進(jìn)一步計(jì)算出偏移量和安全因數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。圖5～圖8分別給出張緊式系泊和懸鏈線(xiàn)式系泊下半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)(橫蕩和垂蕩)響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)，圖9～圖12為受力較大的6號(hào)和7號(hào)聚酯纜或鋼纜的張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)。

表5 2種系泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5 張緊式系泊平臺(tái)橫蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖6 懸鏈線(xiàn)式系泊平臺(tái)橫蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖7 張緊式系泊平臺(tái)垂蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖8 懸鏈線(xiàn)式系泊平臺(tái)垂蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖9 張緊式系泊6號(hào)聚酯纜張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖10 懸鏈線(xiàn)式系泊6號(hào)鋼纜張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖11 張緊式系泊7號(hào)聚酯纜張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖12 懸鏈線(xiàn)式系泊7號(hào)鋼纜張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

由表5和圖5～圖12可知：與懸鏈線(xiàn)式系泊方式相比，采用張緊式系泊的平臺(tái)橫蕩響應(yīng)大幅減小、偏移量大幅降低，說(shuō)明在控制平臺(tái)的水平位移方面，張緊式系泊優(yōu)于懸鏈線(xiàn)式系泊。由于系泊系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)布置，平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)幾乎為零。值得注意的是在張緊式系泊條件下平臺(tái)的垂蕩位移較大，這是由于張緊式系泊系統(tǒng)系泊纜的中間段采用的聚酯纜材料質(zhì)量較小，因此其在垂直方向上可提供的回復(fù)力也較小。同時(shí)，張緊式系泊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都比懸鏈線(xiàn)式大，在時(shí)歷響應(yīng)曲線(xiàn)上表現(xiàn)為張緊式系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果的離散性較大，這是張緊式系泊系統(tǒng)材料本身的剛度非線(xiàn)性所導(dǎo)致的。

在系泊纜張力方面，雖然系泊纜頂端鋼鏈的張力大于中間段聚酯纜或鋼纜的張力，但考慮到材料本身的破斷強(qiáng)度與規(guī)范要求的安全因數(shù)均不同，頂端鋼鏈處于相對(duì)安全的狀態(tài)，因此選取中間段聚酯纜或鋼纜的動(dòng)張力進(jìn)行研究。由表5和圖5～圖12可知，在懸鏈線(xiàn)式系泊下，受力最大的6號(hào)系泊纜其中間段的鋼纜最大受力為11 077 kN，安全因數(shù)為1.68，略大于API規(guī)范要求的安全因數(shù)1.67。在張緊式系泊下系泊纜張力的最大值和平均值與懸鏈線(xiàn)式系泊相比都明顯偏小，安全因數(shù)有較大的提高，具有更高的安全性。

3.2 破斷狀態(tài)下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力特性

平臺(tái)在系泊狀態(tài)下，偶爾會(huì)遭遇某些極端載荷(海洋生物的破壞、海洋結(jié)構(gòu)物的碰撞、意外載荷的沖擊如地震等)，進(jìn)而造成某根系泊纜斷裂，這種情況不僅會(huì)使部分系泊纜張力響應(yīng)增大而且會(huì)對(duì)平臺(tái)的生產(chǎn)作業(yè)造成不利影響。一般來(lái)說(shuō)，系泊纜的張力越大越容易斷裂。在此算例中，假設(shè)極端載荷致使張力最大的6號(hào)系泊纜發(fā)生破斷，其余環(huán)境條件均保持不變，在此前提下計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，具體計(jì)算結(jié)果如表6所示，半潛式平臺(tái)和7號(hào)系泊纜的部分響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)如圖13～圖18所示。

表6 6號(hào)系泊纜斷裂后2種系泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖13 6號(hào)系泊纜斷裂后張緊式系泊平臺(tái)橫蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖14 6號(hào)系泊纜斷裂后懸鏈線(xiàn)式系泊平臺(tái)橫蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖15 6號(hào)系泊纜斷裂后張緊式系泊平臺(tái)縱蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖16 6號(hào)系泊纜斷裂后懸鏈線(xiàn)式系泊平臺(tái)縱蕩響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖17 6號(hào)系泊纜斷裂后張緊式系泊7號(hào)聚酯纜張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

圖18 6號(hào)系泊纜斷裂后懸鏈線(xiàn)式系泊7號(hào)鋼纜張力響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)

由表6和圖13～圖18可知：在受力最大纜斷裂的情況下，2種系泊方式下平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)都明顯增大，在懸鏈線(xiàn)式系泊下平臺(tái)的縱蕩位移達(dá)21 m，這是因?yàn)槭芰ψ畲蟮?號(hào)系泊纜在發(fā)生斷裂之后，其本身負(fù)荷的張力載荷將分布在其余系泊纜上，系泊系統(tǒng)在變得不對(duì)稱(chēng)的同時(shí)也加大了平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)。此外，當(dāng)系泊纜斷裂后，懸鏈線(xiàn)式系泊下平臺(tái)的橫蕩接近90 m，比斷裂前增加超過(guò)20 m，嚴(yán)重影響平臺(tái)的生產(chǎn)作業(yè)，因此必須進(jìn)行收放操作或緊急維修，防止系泊系統(tǒng)發(fā)生連鎖失效反應(yīng)，以免造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。張緊式系泊系統(tǒng)由于自身特性，在一根纜斷裂后平臺(tái)的水平偏移未有較大幅度的增加，系泊系統(tǒng)仍能較好地控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而確保平臺(tái)在極端情況下的作業(yè)安全。

在系泊纜的張力特性方面，2種系泊方式下受力最大的系泊纜均為7號(hào)系泊纜。這是由于在90°環(huán)境力作用下，6號(hào)和7號(hào)系泊纜是迎風(fēng)纜，受力大于其他系泊纜。在6號(hào)系泊纜斷裂后，7號(hào)系泊纜將成為主承力纜繩。由模擬結(jié)果可知，在1根纜斷裂后，2種系泊方式下7號(hào)聚酯纜的最大張力都有所增大，但仍在安全許可范圍內(nèi)。盡管2種系泊方式纜繩受力的總體變化趨勢(shì)相差不大，但由表6可知，張緊式系泊纜所受張力的最大值與平均值均小于懸鏈線(xiàn)式系泊纜。

4 結(jié) 論

以某深水半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，采用時(shí)域耦合的分析方法，考慮風(fēng)浪流的聯(lián)合作用，建立張緊式與懸鏈線(xiàn)式系泊系統(tǒng)模型，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)力特性進(jìn)行比較分析，得出如下結(jié)論：

(1) 與懸鏈線(xiàn)式系泊相比，張緊式系泊具有更適宜的系泊半徑，可以承受更大的垂向力，并且系泊纜的長(zhǎng)度明顯減小，制造成本大幅降低。在系泊纜完好時(shí)，張緊式系泊系統(tǒng)具有更優(yōu)秀的系泊性能，不僅能更好地控制平臺(tái)的水平偏移，而且具有更小的系泊張力。

(2) 張緊式系泊系統(tǒng)的非線(xiàn)性程度較大，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果比較離散，因此仍需對(duì)其相關(guān)的材料機(jī)理特性進(jìn)行更為全面的探索。并且聚酯纜本身重力較小，其提供的垂向力也小，導(dǎo)致平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅度在張緊式系泊下有所增加。

(3) 在極端載荷致使受力最大的系泊纜破斷的情況下，懸鏈線(xiàn)式系泊下平臺(tái)的橫蕩運(yùn)動(dòng)在增加近90 m的同時(shí)，因平臺(tái)系泊系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)性的喪失，其縱蕩運(yùn)動(dòng)也大幅增加；張緊式系泊下平臺(tái)的水平偏移相對(duì)較小，且系泊纜張力的最大值和平均值也明顯小于懸鏈線(xiàn)式系泊。由此證明，張緊式系泊系統(tǒng)具有更好的系泊性能。