吳 瀾，匡曉峰，范亞麗，王 飛，李新鑫

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082; 2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000)

半潛平臺(tái)浮子式系泊系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究

吳 瀾1，匡曉峰1，范亞麗1，王 飛2，李新鑫2

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082; 2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000)

通過在系泊纜中設(shè)置浮子可以改善系泊系統(tǒng)性能，降低平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。建立浮子式系泊系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型，驗(yàn)證浮子式系泊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法，詳細(xì)分析浮子設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)置位置和凈浮力大小)變化對(duì)系泊纜張力特性與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，并根據(jù)得到的規(guī)律選擇了優(yōu)化的浮子系泊系統(tǒng)方案。最后對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估，表明優(yōu)化方案可以顯著降低系泊中的平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)，尤其是低頻運(yùn)動(dòng)，同時(shí)系泊纜張力變化不大，仍滿足安全要求。研究結(jié)果可為今后浮子式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

浮子式系泊系統(tǒng)；半潛平臺(tái)；數(shù)值模擬；模型試驗(yàn)，參數(shù)系化

Abstract: Inserting buoys to the mooring system can improve the performance of mooring system as well as decrease the platform motion. In this paper, the model of mooring system with buoys is introduced, the numerical simulation method of mooring system with buoys is validated, and the design parameters of buoys (location and net buoyancy ) are studied to see their influence on the mooring line tension as well as the platform motion. An optimized plan of mooring system with buoys is selected according to the conclusions made. At last the optimized plan is analyzed, and turns out to be effective in decreasing the offset, especially the low frequency part of platform, while the mooring tension does not increase obviously, still within the safety requirement. The results of this study could offer reference in designing of the mooring system with buoys.

Keywords: mooring system with buoys; semi-submersibles; numerical simulation; model test; parameters optimization

半潛平臺(tái)是海洋油氣開發(fā)的關(guān)鍵裝備，系泊系統(tǒng)是半潛平臺(tái)主要的定位方式之一[1]。在系泊纜中設(shè)置浮力器件，可減輕系泊纜重量，減小平臺(tái)垂向載荷，增大系泊系統(tǒng)剛度，提高系泊性能。Mavrakos等[2-3]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)證明了設(shè)置浮子可改善系泊纜動(dòng)力特性。Mavrakos和Chatjigeorgiou等[4]通過頻域和時(shí)域的數(shù)值模擬討論了浮子的參數(shù)(位置、凈浮力和數(shù)量)對(duì)于系泊纜動(dòng)力特性的改善情況，但研究過程只針對(duì)單根系泊纜，而且使用的是非耦合的方法，用系泊纜頂端正弦激勵(lì)代替上方平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。王道能[5]建立了浮子系纜模型，模擬了浮筒系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，但未有針對(duì)浮子設(shè)置參數(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)性能的影響規(guī)律進(jìn)行較為全面和更深入地討論。

以一250 m水深半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，使用三維流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件AQWA構(gòu)建單浮子系泊系統(tǒng)模型，應(yīng)用耦合動(dòng)力分析方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，討論浮子設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)置位置、凈浮力大小)對(duì)于平臺(tái)位移和系泊纜張力響應(yīng)的影響規(guī)律，得到的結(jié)論可為今后浮子式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 半潛平臺(tái)浮子式系泊系統(tǒng)計(jì)算方法驗(yàn)證

1.1 模型建立

目標(biāo)平臺(tái)為某半潛式平臺(tái)。平臺(tái)包含兩個(gè)水下浮筒；四個(gè)方形立柱；上層建筑；立柱間共有兩根水平撐桿。平臺(tái)參數(shù)如表1所示。使用AQWA軟件建立的平臺(tái)水動(dòng)力模型如圖1所示。

表1 平臺(tái)狀態(tài)參數(shù)Tab. 1 Main parameters of semi-submersible platform

圖1 半潛式平臺(tái)水動(dòng)力學(xué)模型Fig. 1 Hydrodynamic model of the semi-submersible

目標(biāo)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)纜索數(shù)目為8根，對(duì)稱布置。纜索水平角度為45°，張力傾角為25°，頂端預(yù)張力為577 kN 。系泊纜全部由鋼纜組成，具體參數(shù)如表2所示。系泊系統(tǒng)布置如圖2(a)所示。選取系泊浮子參數(shù)如表3所示，參考文獻(xiàn)[6]中使用的浮子參數(shù)，浮子設(shè)置于距離系泊纜頂端317.25 m纜長(zhǎng)的位置，提供20 t凈浮力。浮子式系泊系統(tǒng)數(shù)值模型如圖2(b)所示。

表2 系泊纜參數(shù)Tab. 2 Main parameters of mooring system

表3 浮子參數(shù)表Tab. 3 Main parameters of buoys

圖2 系泊系統(tǒng)示意Fig. 2 Layout of mooring system

1.2 數(shù)值模擬方法

在ANSYS中建立平臺(tái)三維水動(dòng)力模型，用AQWA-LINE計(jì)算平臺(tái)水動(dòng)力參數(shù)及傳遞函數(shù)等，用AQWA-DRIFT計(jì)算平臺(tái)各自由度位移時(shí)歷和各纜索的張力時(shí)歷等。最后使用AQWAGS進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的圖形顯示及后處理，對(duì)時(shí)域計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取和統(tǒng)計(jì)分析[7-10]。

對(duì)于求解波浪中帶有浮子的系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在原系泊系統(tǒng)求解的基礎(chǔ)上加入浮子的運(yùn)動(dòng)方程，將浮子處理為相鄰兩段纜索j-1和j單元連接處節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，可得[11]：

(1)

(2)

其中，xB、zB為浮筒位置坐標(biāo)，MB為浮筒質(zhì)量，MBa為浮筒附加質(zhì)量，B0為浮筒凈浮力，Ap為浮筒投影面積，cBd為浮筒阻力系數(shù)，θ為所研究的系泊纜分段的切向與水平方向夾角，T為系泊纜分段的張力，ρ為海水密度。

采用耦合動(dòng)力分析系泊系統(tǒng)響應(yīng)和平臺(tái)響應(yīng)時(shí)，要將系泊系統(tǒng)和平臺(tái)系統(tǒng)整體考慮為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)聯(lián)合求解[12]。

1.3 浮子式系泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)在耐波性水池中進(jìn)行，水池主尺度為69 m×46 m×4 m(長(zhǎng)×寬×深)，在水池相鄰的兩邊布置了先進(jìn)的三維搖板式造波機(jī)，可模擬規(guī)則波、長(zhǎng)峰不規(guī)則波和短峰波。試驗(yàn)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和重力相似。傅汝德數(shù)和斯特洛爾數(shù)分別相等。各物理量根據(jù)相似原理按縮尺比λ換算，取λ=45。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig. 3 Photos of test models

圖4 單浮子系泊系統(tǒng)不規(guī)則波試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 4 Photo of mooring test with a single buoy under irregular wave

平臺(tái)模型采用玻璃鋼、工程塑料和木料加工而成，形狀和安裝位置盡量與實(shí)船保持一致重心位置、縱向及橫向慣量與實(shí)體滿足相似要求，纜繩采用鋼絲繩模擬，浮子用塑料管加工成圓筒模擬，浮子形狀和安裝位置盡量與實(shí)際系泊系統(tǒng)保持一致，并按照所需凈浮力進(jìn)行配重。半潛平臺(tái)及系泊浮子試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

試驗(yàn)選取生存工況，波浪條件的不規(guī)則波采用JONSWAP譜來模擬，波浪譜參數(shù)為：有效波高HS=8 m，譜峰周期TP=15.08 s，譜峰因子γ=1。浪向?yàn)?80°頂浪。試驗(yàn)照片如圖4所示。

1.4 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及系泊系統(tǒng)受力特性試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算見表4、表5，計(jì)算中由于系泊系統(tǒng)對(duì)稱性，頂浪工況下僅列出1至4號(hào)纜受力。由表可知，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊張力的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，說采用AQWA軟件，基于時(shí)域耦合計(jì)算方法，可以較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)浮子式系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。

表4 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值Tab. 4 Results of platform motion

表5 系泊纜張力統(tǒng)計(jì)值對(duì)比Tab. 5 Results of mooring line tension

2 浮子式系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力分析

2.1 計(jì)算分析工況

進(jìn)行浮子設(shè)計(jì)參數(shù)討論中使用的半潛平臺(tái)及系泊系統(tǒng)模型與上節(jié)相同。浮子尺度為高H=5.32 m，半徑R=1.33 m，下面變化浮子位置和凈浮力參數(shù)，討論這兩個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律。具體分析工況：

1) 浮子位置討論。以浮子提供5 t(約懸垂段纜重的0.2倍)和15 t(約懸垂段纜重的0.6倍)凈浮力為基準(zhǔn)，變換浮子位置分別設(shè)置在距離頂端纜長(zhǎng)200 m、400 m、500 m、600 m、800 m處，計(jì)算相應(yīng)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊纜受力情況。

2) 浮子凈浮力討論。以距離頂端400 m(約0.4倍纜長(zhǎng))和500 m(約0.5倍纜長(zhǎng))位置為基準(zhǔn)，變化浮子凈浮力為5 t、10 t、15 t、20 t和25 t，計(jì)算相應(yīng)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊纜受力情況。

計(jì)算中只考慮180°浪向情況。在設(shè)置浮子后相應(yīng)的調(diào)整系泊纜長(zhǎng)，以保持系泊纜頂端預(yù)張力。

圖5 平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)極值變化曲線Fig. 5 Maximum surge of platform for different buoy locations

2.2 浮子設(shè)置位置的影響規(guī)律

由圖5可知，系泊纜中設(shè)置浮子后平臺(tái)縱蕩極值明顯降低，隨著浮子設(shè)置位置距離頂端纜長(zhǎng)的增大，平臺(tái)縱蕩先減小后增大，浮子設(shè)置在距離頂端纜長(zhǎng)500 m或600 m位置時(shí)，縱蕩極值最小，5 t和15 t凈浮力下平臺(tái)縱蕩位移極值最小分別為10.66 m和10.17 m，比未設(shè)置浮子前分別降低16.19%和20.05%。

進(jìn)一步分析不同波浪頻率下平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)情況，如圖6所示，浮子設(shè)置后，低頻運(yùn)動(dòng)減少較為明顯，說明設(shè)置浮子對(duì)平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)的減小作用主要靠降低平臺(tái)的低頻運(yùn)動(dòng)。隨著浮子設(shè)置位置距離系泊纜頂端纜長(zhǎng)的增大，低頻有效值先減后增，其中浮子設(shè)置在距離頂端纜長(zhǎng)400 m或500 m位置時(shí)，低頻有效值最小。

圖6 浮子位置不同時(shí)平臺(tái)縱蕩波頻、低頻有效值Fig. 6 Wave and low frequency significant surge value of platform for different buoy location

分析系泊系統(tǒng)張力特性，圖7給出了180°浪向下受力最大1號(hào)系泊纜張力極值隨浮子位置變化曲線，設(shè)置浮子后1號(hào)纜張力有所增大，對(duì)應(yīng)系泊纜頂端張力極值約為1 580 kN，比未設(shè)浮子前增大2%，換算至系泊纜安全系數(shù)，即系泊纜破斷強(qiáng)度和張力極值的比值為3.23，參考規(guī)范[13]，仍有較充足的安全裕量。

因而，綜合考慮平臺(tái)位移及系泊纜張力情況，浮子位置設(shè)在距離系泊纜頂端400 m或500 m位置，即0.4至0.5倍懸垂段纜長(zhǎng)處，可以有效減小平臺(tái)水平位移，同時(shí)滿足系泊纜安全系數(shù)要求，張力響應(yīng)程度不至過大。

圖7 1號(hào)纜張力極值隨浮子位置變化情況Fig. 7 Maximum tension of Line 1# for different buoy locations

2.3 浮子凈浮力影響規(guī)律

由圖8可知，設(shè)置浮子后平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)極值均有所減小。隨著浮子凈浮力值的增大，平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)極值先減小后增大。浮子凈浮力為10 t左右時(shí)，平臺(tái)縱蕩位移極值達(dá)到最小，距離頂端400 m和500 m纜長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)的縱蕩極值分別是無浮子系統(tǒng)的79.17%和79.09%。

圖8 縱蕩運(yùn)動(dòng)極值隨浮子凈浮力變化曲線Fig. 8 Maximum surge of platform for different net buoyancies

由圖9平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)低頻、波頻有效值，隨著浮子凈浮力值的增大，平臺(tái)縱蕩低頻有效值先減后增。當(dāng)浮子凈浮力為10 t時(shí)，平臺(tái)縱蕩低頻有效值最小。

圖9 浮子凈浮力不同時(shí)平臺(tái)縱蕩波頻、低頻有效值Fig. 9 Wave and low frequency significant surge value of platform for different net buoyancy of buoy

由圖10可知，受力最大的1號(hào)系泊纜張力隨著浮子凈浮力的增大先增后減，浮子凈浮力為12.5 t時(shí)張力極值最大，導(dǎo)致安全系數(shù)略微降低，但仍滿足系泊安全要求。

圖10 1號(hào)纜張力極值Fig. 10 Maximum tension of Line 1# for different net buoyancy of buoy

圖11 系泊系統(tǒng)縱蕩回復(fù)力曲線Fig. 11 Restoring force curve of the mooring system in surge direction

因而，綜合考慮平臺(tái)位移及系泊纜張力情況，浮子凈浮力取10 t，即0.4倍懸垂段纜長(zhǎng)處，可以有效改善平臺(tái)水平位移，同時(shí)滿足系泊纜安全系數(shù)要求。

2.4 浮子式系泊系統(tǒng)優(yōu)化方案

通過對(duì)浮子位置、凈浮力大小進(jìn)行系泊系統(tǒng)規(guī)律研究后，針對(duì)250 m半潛式平臺(tái)浮子式系泊系統(tǒng)，選取優(yōu)化方案為：浮子設(shè)置于距離系泊纜頂端一半纜長(zhǎng)(500 m)的位置，提供凈浮力為懸垂段纜重的0.4倍(10 t)。有無浮子兩種系泊系統(tǒng)縱蕩方向回復(fù)力曲線如圖11所示，從靜力角度，在維持系泊纜頂端預(yù)張力情況下，設(shè)置浮子可改變系泊纜張角形態(tài)而使得其能夠?yàn)槠脚_(tái)提供更大的回復(fù)力。下面采用耦合動(dòng)力分析方法，綜合考察不同浪向下(180°、135°和90°)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能和系泊纜受力特性，計(jì)算結(jié)果如表6和表7所示。

表6 平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)結(jié)果(單幅)Tab. 6 Results of platform horizontal motion

(續(xù)表)

表7 平臺(tái)系泊纜張力結(jié)果Tab. 7 Results of mooring line tension

由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊纜頂端張力計(jì)算結(jié)果可知：

1)浮子系泊系統(tǒng)方案對(duì)于降低平臺(tái)水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的極值、有效值有較明顯效果，而對(duì)這兩者的降低作用主要是通過減小平臺(tái)低頻運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

2)受力最大系泊纜張力極值較無浮子狀態(tài)有所增加，但仍有較充裕的安全裕量。系泊纜頂端張力標(biāo)準(zhǔn)差有所降低。

3 結(jié) 語

建立單浮子系泊系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型，驗(yàn)證浮子式系泊系統(tǒng)計(jì)算分析方法，詳細(xì)分析浮子設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)置位置和凈浮力大小)變化對(duì)系泊纜張力特性與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，并根據(jù)得到的規(guī)律選擇了優(yōu)化的浮子系泊系統(tǒng)方案。最后對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估，表明優(yōu)化方案可以顯著降低了系泊中的平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)，尤其是低頻運(yùn)動(dòng)，同時(shí)系泊纜張力變化不大，仍滿足安全要求。通過本研究可以總結(jié)出以下規(guī)律：

1) 在保證預(yù)張力不變的情況下，浮子系泊系統(tǒng)可以顯著減小平臺(tái)水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，這種減小作用主要是通過改善低頻下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

2) 單個(gè)浮子設(shè)置在距離靠近懸垂段纜長(zhǎng)1/2處時(shí)對(duì)于改善平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)效果最佳。此時(shí)系泊纜張力極值有所增加，但仍有較高的安全裕度，同時(shí)張力響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差也有所減小。

3) 浮子凈浮力取值為懸垂段纜重0.4倍時(shí)，既可使得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)尤其是低頻運(yùn)動(dòng)有較明顯的改善，又可以保證系泊纜張力在較安全范圍內(nèi)，且張力響應(yīng)程度有所減小。

4) 單浮子最佳方案為浮子設(shè)置在距離頂端1/2倍懸垂段纜長(zhǎng)位置處，浮子提供0.4倍懸垂段纜重。與無浮子方案比較，單浮子方案能夠明顯減少頂浪下平臺(tái)縱蕩位移，且系泊纜張力在安全范圍內(nèi)。

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Study on the parameters optimization for the mooring system with buoys of a semi-submersible

WU Lan1, KUANG Xiaofeng1, FAN Yali1, WANG Fei2, LI Xinxin2

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Hydrodynamics, China Ship Scientific Research Centre , Wuxi 214082, China; 2. Dalian Shipbuilding Industry Co., LTD, Dalian 116000, China)

1005-9865(2016)04-0030-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.005

2015-06-01

國(guó)家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)

吳 瀾(1988-)，女，天津人，碩士，主要從事海洋工程水動(dòng)力學(xué)方向的研究。E-mail： wulan135@126.com