張 健，連建魯，楊 勇，袁洪濤

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003;2.上海外高橋造船有限公司，上海200137)

0 引 言

自升式海洋平臺(tái)是一種重要的采油設(shè)施，平臺(tái)設(shè)備復(fù)雜，在船廠碼頭舾裝、維修長(zhǎng)達(dá)8－10個(gè)月，在此期間，平臺(tái)可能遇到臺(tái)風(fēng)天氣，自升式平臺(tái)并未插樁，即樁腿沒(méi)有下放，平臺(tái)主體浮于水面。為保證此期間自升式海洋平臺(tái)安全，特別是遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣條件的情況，需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行碼頭系泊。

自升式平臺(tái)碼頭系泊研究對(duì)于大型系泊物體也有很大的參考意義。大型船舶和海洋結(jié)構(gòu)物如果在碼頭系泊不當(dāng)，遇到惡劣的天氣，運(yùn)動(dòng)幅度失控，特別是系泊攬斷裂后，會(huì)造成巨大的破壞。典型碼頭系泊事故案例發(fā)生在1987年，名為“大鷹?！钡耐鈬?guó)船只在寶鋼碼頭進(jìn)行系泊，遭遇惡劣海況，系泊纜繩全部斷裂，極速撞向碼頭棧橋，造成200多米的橋體和橋墩的毀壞，同時(shí)也造成船體嚴(yán)重?fù)p壞［1］。

自升式鉆井平臺(tái)在結(jié)構(gòu)、外形、重心等方面與常規(guī)船舶有顯著區(qū)別，其碼頭系泊比較特殊。參考半潛式平臺(tái)的碼頭系泊方案［2］，考慮到系泊經(jīng)濟(jì)性和安全性一般采用中間墊靠駁船的系泊方式。本文在此基礎(chǔ)上確定系泊方案，并進(jìn)行纜繩預(yù)張力和剛度對(duì)系泊系統(tǒng)影響的研究。

1 自升式平臺(tái)碼頭系泊系統(tǒng)

1.1 自升式平臺(tái)及靠泊駁船參數(shù)

本文針對(duì)JU2000E型自升式平臺(tái)計(jì)算?？坎瘩g船為方形駁船，排水量1 013 t。平臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自升式式鉆井平臺(tái)主尺度參數(shù)Tab.1 Principal parameters of the self-elevating drilling platform

1.2 系泊纜繩和護(hù)舷設(shè)置

系泊纜繩采用鋼纜，平臺(tái)碼頭系泊時(shí)13 根纜繩與碼頭相連，鋼絲纜的名義直徑為40 mm，破斷拉力為1 158 kN。碼頭護(hù)舷壓縮性能(力學(xué)特性)為受壓力57.9 t 時(shí)壓縮52.5%;受壓力61.5 t 時(shí)壓縮55.5%。

1.3 坐標(biāo)系和環(huán)境參數(shù)的確定

考慮平臺(tái)多自由度的運(yùn)動(dòng)，綜合流向、風(fēng)向、波浪方向以及平臺(tái)和碼頭的相對(duì)位置，設(shè)定如圖1所示坐標(biāo)系。

圖1 自升式平臺(tái)系泊大地坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of the jack up drilling platform quay mooring system

圖1 大地坐標(biāo)系為OXY，平臺(tái)側(cè)面長(zhǎng)邊平行靠泊駁船，中間用橡膠碰墊接觸，風(fēng)、浪、流指向平臺(tái)。平臺(tái)隨體坐標(biāo)系為(o1x1y1)與大地坐標(biāo)系夾角為30°。平臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)為平臺(tái)中心基線處。駁船的坐標(biāo)系(o2x2y2)與大地坐標(biāo)系平行，坐標(biāo)原點(diǎn)在駁船幾何中心。

船舶在碼頭上進(jìn)行系泊時(shí)，有3 種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)系泊纜繩的受力和碼頭護(hù)舷的受力影響最大，分別為船舶的縱蕩、橫蕩、首搖，而另外3個(gè)自由度對(duì)結(jié)果的影響不大，可以忽略［3］。自升式平臺(tái)系泊，考慮到多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，也參考此結(jié)論，故設(shè)置以上坐標(biāo)系。

1.4 平臺(tái)風(fēng)、流載荷系數(shù)的確定

根據(jù)OCIMF 風(fēng)、流載荷計(jì)算公式，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)軟件Fine/Marine 計(jì)算出風(fēng)載荷系數(shù)值，公式為:

式中:Asurge，Asway，Ayaw 分別為縱蕩、橫蕩、首揺面積。Csurge，Csway，Cyaw 分別為對(duì)應(yīng)的載荷系數(shù)。

圖2 Fine/marine 平臺(tái)水上模型(風(fēng)載荷)Fig.2 The model of platform in fine/marine about wind

圖3 Fine/marine 平臺(tái)水下模型(流載荷)Fig.3 The model of platform in fine/marine about flunt

Fine/Marine 采用非定常計(jì)算方式計(jì)算載荷，湍流模型為κ－ε模型［4］，將平臺(tái)整體表面定義為body 采用壁面條件，流域上下表面采用Frozenpressure 條件，入流口加流速，其他邊界設(shè)置為遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

本文簡(jiǎn)化了風(fēng)載荷數(shù)值模型，取桁架樁腿每側(cè)滿(mǎn)足實(shí)際投影面積的30%［5］，將樁腿截面等效為正三角柱體［6］，井架等效為長(zhǎng)方體。計(jì)算風(fēng)速采用28.4 m/s，流速1.54 m/s。得出風(fēng)、流載荷系數(shù)如圖4～圖5所示。

圖4 風(fēng)載荷系數(shù)Fig.4 The coefficents of wind

圖5 流載荷系數(shù)Fig.5 The coefficents of flunt

1.5 系泊方案的確定

自升式平臺(tái)碼頭系泊模擬地點(diǎn)設(shè)定在上海外高橋碼頭。參考碼頭纜樁布置，采用系泊方式如圖6所示。

圖6 平臺(tái)碼頭系泊方案Fig.6 The quay mooring scheme of platform

圖6 中連接自升式平臺(tái)和碼頭纜繩編號(hào)1～13，連接平臺(tái)和靠泊駁船的纜繩編號(hào)A～D。連接駁船和碼頭的纜繩在計(jì)算中受力始終很小，對(duì)系泊系統(tǒng)影響較小，固不作為后續(xù)計(jì)算分析纜繩。

2 纜繩預(yù)張力分布對(duì)系泊影響

2.1 纜繩預(yù)張力分布

預(yù)張力表示在無(wú)環(huán)境載荷狀態(tài)下，通過(guò)絞車(chē)絞緊給系泊纜提供的初始張力值。本節(jié)尋找A～D 纜繩相對(duì)于1～13 合理的預(yù)張力大小。1～13 號(hào)纜繩采用10 t 預(yù)張力，A～D 號(hào)纜繩分別設(shè)置2 t，6 t，10 t 預(yù)張力。風(fēng)向設(shè)定離岸風(fēng)和沿岸風(fēng)向，計(jì)算間隔30°，最終得出纜繩在不同風(fēng)向下的受力作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

表2 計(jì)算方案Tab.2 The calculation scheme

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖7 表示纜繩1～13和A～D 在3 種方案下的最大受力值。

圖7 三種方案各纜繩最大受力Fig.7 The max line force in three kind of scheme

圖8 表示各個(gè)纜繩在3 種方案下受力值大小隨風(fēng)向的變化情況。圖8(a)，8(b)，8(c)為1～13 號(hào)纜繩隨風(fēng)向受力變化值，圖8(d)，8(e)，8(f)為A～D 號(hào)纜繩隨風(fēng)向受力變化值。

由圖7 可知:1)隨著駁船與平臺(tái)連接的纜繩A～D 預(yù)張力增大，平臺(tái)與碼頭相連纜繩line1～13最大受力基本不變;2)纜繩A～D 最大受力值隨初始預(yù)張力增加而增大，極值均在安全范圍之內(nèi)。

由圖8 可知，1)纜繩line1～13 在3 種預(yù)張力方案下變化趨勢(shì)一致;2)纜繩lineA～D 三種預(yù)張力增加的情況下受力變大;3)在10 t 預(yù)張力情況下，纜繩承受力相對(duì)均勻。計(jì)算總結(jié):

圖8 A～D 三種預(yù)張力方案下各纜繩受力Fig.8 The line force under 3 kind of pre-tension about A～D line

1)保持所有纜繩預(yù)張力一致更有利于保持系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

2)風(fēng)向0°，150°，180°情況下平臺(tái)與碼頭連接的纜繩受力極值會(huì)很大;

3)風(fēng)向90°的情況下，平臺(tái)和駁船之間的纜繩受力極值最大。

后續(xù)計(jì)算會(huì)重點(diǎn)分析這幾個(gè)方向的纜繩受力。

3 纜繩預(yù)張力及剛度對(duì)系泊的影響效果對(duì)比

3.1 計(jì)算工況

剛度是系泊纜繩的剛度特性，雙倍剛度代表2 根系泊纜繩系泊在同一位置，具體計(jì)算將剛度加倍即可。

在上節(jié)方案基礎(chǔ)上，設(shè)定所有纜繩預(yù)張力相同，采用4 種系泊計(jì)算工況分析纜繩預(yù)張力、剛度的影響:

1)每根系泊纜為10 t 預(yù)張力，單倍剛度;

2)每根系泊纜為30 t 預(yù)張力，單倍剛度

3)每根系泊纜為10 t 預(yù)張力，雙倍剛度;

4)每根系泊纜為30 t 預(yù)張力，雙倍剛度風(fēng)速28.4 m/s，風(fēng)向設(shè)定離岸風(fēng)和沿岸風(fēng)向，計(jì)算間隔30°，最終求出對(duì)比數(shù)據(jù)，通過(guò)分析平臺(tái)位移、系泊纜受力與各個(gè)工況的關(guān)系，分析纜繩預(yù)張力和剛度值對(duì)系泊系統(tǒng)的影響。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

重點(diǎn)分析0°，90°，150°下，纜繩line4，line12，lineD 極限受力和平臺(tái)縱蕩、橫蕩、首搖幅度。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of calculated results

如表3 結(jié)果所示:0°風(fēng)向下平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)，此方向風(fēng)和流均沿縱向給平臺(tái)施加力，如圖雙倍剛度對(duì)降低縱蕩運(yùn)動(dòng)幅度的效果明顯好于纜繩預(yù)張力的增加。90°風(fēng)向下平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)和150°風(fēng)向下平臺(tái)首搖運(yùn)動(dòng)也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，雙倍剛度帶來(lái)的降低橫蕩和首搖的效果由于增加預(yù)張力。

纜繩line12，line4，lineD 在風(fēng)向?yàn)?50°，0°，90°的情況下的張力值大小，這些方向?yàn)槔|繩最危險(xiǎn)的受力方向。結(jié)果依然表明纜繩剛度的增加對(duì)最終張力值的減小效果明顯優(yōu)于增加預(yù)張力。最終可知雙倍剛度(雙股纜繩)會(huì)有效降低危險(xiǎn)纜繩最終受到的張力值大小，使系泊系統(tǒng)更加安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以得出如下結(jié)論:

1)保持所有纜繩預(yù)張力一致更有利于保持系泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

2)在一定程度內(nèi)增加系泊纜繩預(yù)張力可以改善系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和纜繩受力;

3)系泊纜繩雙剛度可以有效減小平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，大幅降低單根纜繩最終受力;

4)增加系泊纜剛度往往效果好于增加預(yù)張力;

5)特定方向的纜繩需格外加強(qiáng)，例如平臺(tái)首尾部的倒纜，艏艉護(hù)舷也需加強(qiáng)。

［1］林兆全.浪流作用下系泊船舶撞擊力和系纜力試驗(yàn)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［2］吳小鵬.深海半潛式鉆井平臺(tái)碼頭系泊數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)研究［D］.上海:上海交通大學(xué).

［3］OCIMF.Mooring Equipment Guidelines 3rd Edition［S］.London，England，2007.

［4］侯?lèi)?ài)波，汪夢(mèng)甫.建筑數(shù)值風(fēng)洞的基礎(chǔ)研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(2):21－24.HOU Ai-bo，WANG Meng-fu.Fundamental research of the architectural numerical wind tunnel［J］.Journal of Hunan University，2007，34(2):21－24.

［5］唐友剛，張素俠.深海系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性研究進(jìn)展［J］.海洋工程，2008，26(1):120－126.TANG You-gang，ZHANG Su-xia.Advance of study on dynamic characters of mooring systems in deep water［J］.The Ocean Engineering，2008，26(1):120－126.

［6］趙勝濤，張海燕.自升式平臺(tái)桁架樁腿風(fēng)載荷研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2014，29(1):29－36.ZHAO Sheng-tao，ZHANG Hai-yan.The wind study on the truss leg of jack-up units［J］.China Offshore Platform，2014，29(1):29－36.