李偉男，劉海笑，連宇順

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

系纜損傷對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響

李偉男，劉海笑，連宇順

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

探究合成纖維系纜損傷對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響，具有重要的工程意義。通過高強(qiáng)聚乙烯(HMPE)纜繩損傷動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)，獲得其動(dòng)剛度隨損傷的演變規(guī)律。在數(shù)值計(jì)算上，借鑒并合理簡(jiǎn)化了前人提出的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式，通過處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，以一座采用高強(qiáng)聚乙烯纜繩為主體系纜的FPSO為例，將所得動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)入系泊分析軟件，結(jié)合水動(dòng)力分析，計(jì)算得到在相同海洋環(huán)境中，系纜發(fā)生不同程度損傷時(shí)，各系纜張力和平臺(tái)偏移響應(yīng)的結(jié)果。通過處理、分析所得的計(jì)算結(jié)果，獲得合成纖維纜繩損傷演變對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響規(guī)律，并據(jù)此為系纜更換提供了建議。這些成果既有利于把握繃緊式系泊系統(tǒng)的非線性動(dòng)力響應(yīng)，也對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)用合成纖維系纜具有重要意義。

繃緊式系泊系統(tǒng)；高強(qiáng)聚乙烯系纜；損傷；動(dòng)剛度；系泊分析

Abstract: It is of engineering significance to do researches on the impacts of damaged ropes on the dynamic response of the taut-wire mooring systems. To obtain the evolution of damaged high modulus polyethylene (HMPE) ropes, the damage experiments are necessary. In the numerical calculation, a former empirical expression of dynamic stiffness is quoted and simplified reasonably, the parameters of which are determined and verified by the results of the experiments. Then, taking an FPSO with HMPE mooring lines as an example, the expression is used in mooring analysis. Based on hydrodynamic analysis, the results of tension in mooring lines and FPSO’s displacements can be obtained when the damage of mooring lines changes but the environment remains firm. Evolution of dynamic response of the taut-wire mooring system and offshore platforms considering mooring lines’ damage effects can be obtained, according to which the suggestions about inspection and retirement of mooring lines are made. These results can not only help to grasp the non-linear dynamic response of the taut-wire mooring system and offshore platforms, but also help to utilize synthetic fiber ropes as mooring lines more safely, economically, and reasonably.

Keywords: taut-wire mooring system; HMPE; damage; dynamic stiffness; mooring analysis

隨著北海、墨西哥灣、巴西等深水油氣田的勘探開發(fā)，人類開發(fā)海洋石油的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向深海、超深海，這對(duì)海洋平臺(tái)的系泊系統(tǒng)提出了更高要求和挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)由鋼鏈或鋼纜組成的懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)相比，以合成纖維纜繩為主體系纜的繃緊式系泊系統(tǒng)憑借其更輕的自重、更小的系泊半徑及更優(yōu)的系泊性能[1]，而更適用于處于復(fù)雜、惡劣環(huán)境中的深海、超深海油氣開發(fā)平臺(tái)。

但是在實(shí)際工程中，生產(chǎn)缺陷、安裝過程中的磨損、以及服役期間纜繩的老化、沙石碰撞或嵌入和海洋生物的侵蝕等都會(huì)導(dǎo)致纜繩的損傷[2-3]，這些損傷時(shí)刻影響纜繩的工作性能，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了系泊纜繩損傷研究。在理論方面，1999年，Karayaka等[4]首先提出利用連續(xù)損傷力學(xué)理論解釋合成纖維纜繩損傷的構(gòu)想，但未提出描述纜繩損傷程度的實(shí)用模型。在其基礎(chǔ)上，2010年，Beltran等[5-9]經(jīng)過一系列研究驗(yàn)證，提出了一個(gè)用于估計(jì)損傷對(duì)纜繩性能影響的力學(xué)模型，并揭示了纜繩的損傷可以由部分纜繩單元性能退化表示的結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)方面，Williams等[2]和Ward等[3]均采用了人為切割纜繩紗線和纜繩子股制造纜繩損傷的方法，探究了損傷對(duì)纜繩殘余應(yīng)力的影響。2014年，Liu等[10-13]通過對(duì)動(dòng)剛度的陸續(xù)研究，探究了纜繩損傷對(duì)其動(dòng)剛度演變的影響，并提出了含損傷影響的合成纖維纜繩動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式。

合成纖維纜繩的動(dòng)剛度特性是海洋平臺(tái)在外部荷載作用下偏移的決定因素，也是關(guān)乎繃緊式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的關(guān)鍵因素[14]。因此，為了更好地把握繃緊式系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，學(xué)者們將動(dòng)剛度引入繃緊式系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析中。Ding等[15]和Kim[16]均采用Del Vecchio[17]所提出的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行了浮式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，得到了系纜張力及平臺(tái)位移的響應(yīng)。該動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式考慮了平均張力和張力幅值對(duì)纜繩動(dòng)剛度演變的影響。2008年，Tahar等[18]引用Bosman等[19]提出的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式，分析了浮式平臺(tái)在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)，該動(dòng)剛度公式僅考慮了平均張力的影響。2007年，劉海笑和黃澤偉[20]引用了Fernandes等[21]提出的動(dòng)剛度公式，該動(dòng)剛度公式考慮了平均張力和張力幅值影響的動(dòng)剛度公式，在此基礎(chǔ)上分析了深海繃緊式系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。2011年，黃維和劉海笑等[22]采用Francois等[23]提出的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式，考察了循環(huán)載荷作用下纖維系纜的動(dòng)剛度特性，得出了采用動(dòng)剛度計(jì)算結(jié)果比采用準(zhǔn)靜剛度更為合理的結(jié)論，該公式只考慮了平均張力的影響。2013年，連宇順等[24]同樣采用Francois等[23]提出的經(jīng)驗(yàn)公式，通過對(duì)一艘FPSO進(jìn)行系泊分析，考察了聚酯纜繩、高強(qiáng)聚乙烯纜繩以及混合系纜不同的系泊性能。

系纜損傷對(duì)系纜動(dòng)剛度有顯著影響，同時(shí)，該變化也深刻影響著繃緊式系泊系統(tǒng)響應(yīng)，但是目前行業(yè)規(guī)范僅考慮纜繩損傷時(shí)候的殘余破斷強(qiáng)度、疲勞壽命，從而確定纜繩是否繼續(xù)服役。挪威船級(jí)社(DNV)提出了對(duì)纜繩檢驗(yàn)的流程及方法，建議基于系纜承載面橫截面積的減小，利用纜繩子纜與纜繩之間關(guān)聯(lián)評(píng)估纜繩損傷，通過損傷計(jì)算分析纜繩最小破斷力及疲勞壽命的變化，從而確定纜繩的處置方法，并建議纜繩如果被檢測(cè)到承受過超過80%MBL的應(yīng)力，則必須更換纜繩[25,26]。纜繩研究協(xié)會(huì)(Cordage Institute)建議綜合考慮應(yīng)力歷史、纜繩蠕變、疲勞、磨損等多方面對(duì)纜繩進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)纜繩進(jìn)行維修、更換及降級(jí)使用提供了建議，其中，纜繩損傷的確定基于橫截面積的減少[27]。海洋工程手冊(cè)提供了纜繩檢驗(yàn)的詳細(xì)過程，同時(shí)針對(duì)不同編織結(jié)構(gòu)的纜繩提出了以橫截面積損失為指標(biāo)的更換建議[28]。Weller等[29]對(duì)纜繩檢測(cè)、維護(hù)及基于損傷與殘余破斷強(qiáng)度決定纜繩是否退役提出了建議。

由上可知，鮮有研究者在繃緊式系泊系統(tǒng)的系泊分析中引入損傷系纜動(dòng)剛度，并據(jù)此指導(dǎo)合成纖維纜繩的工程應(yīng)用。根據(jù)Bosman等[19]、Francois等[23]、Davies等[30]通過實(shí)驗(yàn)研究得出的平均張力是影響合成纖維系纜動(dòng)剛度最重要因素的結(jié)論，以及其各自提出的僅考慮平均張力影響的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式，為了易于系泊分析，本文將對(duì)Liu等[11]提出的損傷動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以在深海、超深海領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力的高強(qiáng)聚乙烯纜繩為研究對(duì)象，利用其損傷動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)確定和誤差分析，并將該簡(jiǎn)化公式引入繃緊式系泊系統(tǒng)及海洋平臺(tái)的動(dòng)力分析，分析高強(qiáng)聚乙烯系纜損傷對(duì)平臺(tái)偏移和系泊纜繩張力的影響，并據(jù)此為系纜的檢測(cè)、更換提供建議。

1 損傷纜繩動(dòng)剛度研究

1.1損傷纜繩動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式

2014年，Liu等[11]在纜繩動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式中引入損傷度D，D由纜繩有效承載面積的減小量定量表示：

式中：S0為纜繩未損傷時(shí)的橫截面積；S1為纜繩橫截面上損失的承載面積。由該式可知，當(dāng)纜繩未發(fā)生損傷時(shí)，即S1=0，此時(shí)D=0；隨著纜繩在持續(xù)承載過程中，S1將逐漸增大，從而導(dǎo)致D不斷增大；在纜繩完全失去承載能力時(shí)，即S1=S0，此時(shí)D=1。

為方便系泊分析，并根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Liu等[11]提出的含損傷動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出如下形式的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：α，ω，β和ψ是與纜繩材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)；Lm為平均張力。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

由于切斷纜繩紗線和子股制造試樣損傷的方法簡(jiǎn)單易行，并已被前人使用，收到了良好的效果，所以本文采用此方法。對(duì)繩徑為6 mm的12股編狀結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)聚乙烯纜繩制造三種不同損傷，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究：第一種是通過切斷高強(qiáng)聚乙烯纜繩中一股子纜形成損傷，其損傷度D=8.33%；第二種是通過切斷高強(qiáng)聚乙烯纜繩中對(duì)稱的兩股子纜形成損傷，其損傷度D=16.67%；第三種是通過切斷高強(qiáng)聚乙烯纜繩中對(duì)稱的四股子纜形成損傷，其損傷度D=33.33%。

在人為制造初始損傷過程中，不能對(duì)纜繩自身結(jié)構(gòu)造成過大影響，更不應(yīng)導(dǎo)致纜繩兩插編終端失效。否則，纜繩試樣的強(qiáng)度將大大降低。如果實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)該情況，通過最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果可輕易察覺。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)工況

考慮損傷度和平均張力對(duì)試樣纜繩動(dòng)剛度的影響，通過控制變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況，分為三組，即低張力水平組(1～4)、高張力水平組(5～8)、驗(yàn)證組(9、10)，具體工況如表1所示。

表1 高強(qiáng)聚乙烯纜繩的實(shí)驗(yàn)工況Tab. 1 Test cases of HMPE ropes

1.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)采用合成纖維纜繩循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。

首先，校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)儀器。校驗(yàn)完畢后，利用插編的方法將高強(qiáng)聚乙烯纜繩試樣的兩端固定在實(shí)驗(yàn)儀器上。纜繩試樣總長(zhǎng)是2.4 m，纜繩的環(huán)眼插編長(zhǎng)度是0.3 m，位于纜繩中間位置的標(biāo)記長(zhǎng)度是0.3 m，這樣保證實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、不受擾動(dòng)。

然后，進(jìn)行纜繩磨合(bedding-in)。該過程具有重要作用：使纜繩股與股之間更加緊湊，增大股間摩擦；減少纜繩的結(jié)構(gòu)性伸長(zhǎng)，使纜繩試樣長(zhǎng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；增加纜繩兩端連結(jié)處和纜繩的載荷傳遞效率[31-32]。其過程如下：加載應(yīng)力水平為20%MBL，應(yīng)力幅值為10%MBL的循環(huán)載荷100周[33]。

磨合完成后，卸載，使得纜繩處于松弛狀態(tài)。然后在纜繩標(biāo)記段中間處對(duì)纜繩試樣制造相應(yīng)工況要求的損傷。完成后，施加200 N荷載，使纜繩處于拉伸狀態(tài)，測(cè)量并記錄纜繩試樣標(biāo)記段的長(zhǎng)度。

最后，按照相應(yīng)工況要求對(duì)試樣加載至800周次。

每組工況進(jìn)行至少兩次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性及結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理如下：

纜繩應(yīng)變：

式中：ε為纜繩應(yīng)變；Δl為纜繩試樣標(biāo)記段伸長(zhǎng)量；l為標(biāo)記段最初長(zhǎng)度。

纜繩動(dòng)剛度：

根據(jù)前人所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]，通過上述處理，得損傷高強(qiáng)聚乙烯纜繩的動(dòng)剛度演變?nèi)鐖D1所示。

圖1 低張力和高張力水平下?lián)p傷高強(qiáng)聚乙烯纜繩的動(dòng)剛度演變Fig. 1 Dynamic stiffness evolution of damaged HMPE ropes under the condition of low stress level and high stress level

1.3參數(shù)確定及誤差分析

利用Matlab軟件對(duì)工況1～8所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)如表2所示。

表2 動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)Tab. 2 The parameters of empirical formula

對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得動(dòng)剛度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得動(dòng)剛度進(jìn)行誤差分析，其相對(duì)誤差計(jì)算公式為：

式中：Δ為相對(duì)誤差；Kre為動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)測(cè)量值；Krc為動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值。

利用該公式對(duì)工況1～8進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 工況1～8動(dòng)剛度平均相對(duì)誤差Tab. 3 The relative error of cases 1～8

圖2 動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)驗(yàn)證結(jié)果Fig. 2 Verification results of parameters of empirical formula

由表3可知，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得動(dòng)剛度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得動(dòng)剛度擬合較好，相對(duì)誤差均不超過4%。為進(jìn)一步驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得動(dòng)剛度的準(zhǔn)確性，利用工況9、10所測(cè)動(dòng)剛度值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。由圖2可知，工況9、10所測(cè)動(dòng)剛度值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值較為接近，計(jì)算所得相對(duì)誤差分別為1.073%和1.534%。

由上述驗(yàn)證可知，本文所采用的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值誤差較小，具備可靠性。因此可以采用該種方式得到損傷動(dòng)剛度，并應(yīng)用于海洋浮式結(jié)構(gòu)及其系泊系統(tǒng)的動(dòng)力分析。

2 動(dòng)力分析理論

海洋平臺(tái)處于多變的海洋環(huán)境中，在某些情況下，其動(dòng)力響應(yīng)會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果，因此其動(dòng)力分析過程必不可少。海洋平臺(tái)承受各種外力的作用，包括風(fēng)、浪、流等產(chǎn)生的海洋環(huán)境荷載，系泊系統(tǒng)所產(chǎn)生的系泊力等。海洋平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)的總體運(yùn)動(dòng)方程可表達(dá)為：

在本文分析過程中，系纜的剛度矩陣將依據(jù)引入的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式，隨著系纜張力的不斷變化而進(jìn)行更新，從而得到實(shí)時(shí)動(dòng)剛度并引入下一步的分析中。

3 模型建立及工況確定

3.1船體參數(shù)

選擇一座工作海域?yàn)槟虾?，工作水深? 000 m的FPSO為研究對(duì)象，船體尺寸如表4所示。

表4 FPSO船體主要參數(shù)Tab. 4 Basic parameters of FPSO

3.2環(huán)境參數(shù)

本文所采用系泊系統(tǒng)為永久性系泊系統(tǒng)，在對(duì)其強(qiáng)度分析時(shí)，業(yè)界認(rèn)可的環(huán)境條件有兩類：最大設(shè)計(jì)條件和最大作業(yè)條件[14]。最大設(shè)計(jì)環(huán)境條件采用重現(xiàn)期為100年的設(shè)計(jì)環(huán)境，即采用南海重現(xiàn)期為100年的波浪加上相對(duì)應(yīng)的風(fēng)和流作為最大設(shè)計(jì)工況，具體環(huán)境參數(shù)如表5所示，最大作業(yè)環(huán)境條件參數(shù)如表5所示。計(jì)算時(shí)，將波浪、風(fēng)和流的方向設(shè)置為同一個(gè)方向。

表5 最大設(shè)計(jì)和最大作業(yè)環(huán)境參數(shù)Tab. 5 Basic parameters of maximum design condition and operation condition

3.3系纜布置及纜繩屬性

本文系泊系統(tǒng)系纜分布為單點(diǎn)式4×3型，布置如圖3所示。從該圖可知，該系泊系統(tǒng)由4組系纜構(gòu)成，每組系纜由3根纜繩組成，組內(nèi)相鄰兩根纜繩夾角為3°。其中，系纜1-3為迎風(fēng)纜，系纜7-9為背風(fēng)纜。作為主體系纜的高強(qiáng)聚乙烯纜繩繩徑為194 mm，最小破斷力(MBL)為19 600 kN，線密度為17.2 kg/m，系纜長(zhǎng)度為4 200 m，預(yù)張力為15%MBL。

圖3 系泊系統(tǒng)系纜布置示意Fig. 3 Sketch of mooring system ropes

3.4計(jì)算工況

由于迎風(fēng)纜受力較大，在實(shí)際工程中更易產(chǎn)生損傷，故本文計(jì)算工況圍繞系纜1-3同時(shí)產(chǎn)生損傷設(shè)計(jì)，具體工況如表6所示。

表6 動(dòng)力分析工況Tab. 6 Cases of dynamic analysis

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1計(jì)算結(jié)果

按照上述工況，將所得損傷動(dòng)剛度公式導(dǎo)入系泊分析軟件，對(duì)FPSO及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。由于系泊系統(tǒng)各響應(yīng)絕對(duì)值的最大值反映最危險(xiǎn)情況，均值具有代表性，故通過對(duì)所得數(shù)據(jù)的處理，得到各工況下FPSO正南方向位移響應(yīng)的最大值、均值和各系纜響應(yīng)的最大值、均值，如表7～9所示。

表7 FPSO正南方向位移響應(yīng)的最值、均值Fig. 7 Results of FPSO southern displacement

表8 系纜響應(yīng)的均值Tab. 8 Average value of ropes axial stress

表9 系纜響應(yīng)的最大值Tab. 9 Maximum of ropes axial stress

4.2結(jié)果分析

根據(jù)表7，繪制圖4。由圖4可知，隨著迎風(fēng)纜損傷不斷加大，平臺(tái)正南方向位移逐漸增大，且其變化速率也有增大的趨勢(shì)。這表明，隨著浮式結(jié)構(gòu)繃緊式系泊系統(tǒng)系纜不斷累積損傷，平臺(tái)位移在加速增大。其原因在于，隨著損傷累積，纜繩的剛度不斷減小，在相同海洋環(huán)境下，系纜軸向伸長(zhǎng)增大，浮式結(jié)構(gòu)位移必然增大。

圖4 FPSO正南方向位移隨系纜損傷的變化趨勢(shì)Fig. 4 Changes of FPSO’s southern displacement with different ropes damages

根據(jù)表8，繪制圖5；根據(jù)表9，繪制圖6。由于系纜及環(huán)境作用的對(duì)稱性，系纜1與系纜3、系纜4與系纜12、系纜5與系纜11、系纜6與系纜10、系纜7與系纜9所受軸向張力分別相等。

圖5 工況1～10系纜響應(yīng)的均值的變化趨勢(shì)Fig. 5 Changes of average value of ropes axial stress in cases 1～10

圖6 工況1～10系纜響應(yīng)的最大值的變化趨勢(shì)Fig. 6 Changes of maximum of ropes axial stress in cases 1～10

由于系纜1-3同為迎風(fēng)纜，且夾角很小，故其軸向受力值相差很小，所以圖5和圖6中系纜1-3軸向受力值幾近重合。系纜7、8與系纜9的情況相同。由圖5和圖6可知，迎風(fēng)纜確較其他部位纜繩承受更大張力，張力值隨系纜損傷增加而減小。這是由于系纜動(dòng)剛度的減少，在外荷載不變的情況下，系纜軸向伸長(zhǎng)增大，但是其增加的速度小于系纜動(dòng)剛度的減少速度，故系纜的軸向張力減少。但這并不意味著系纜更加安全，因?yàn)殡S著系纜的損傷，纜繩的破斷強(qiáng)度也將有折減，所以系纜可靠性會(huì)折減，但其折減演變規(guī)律尚有待考察。而背風(fēng)纜較其他部位纜繩承受更小的張力，同時(shí)該張力隨著迎風(fēng)纜損傷不斷增加而減小，其原因在于，迎風(fēng)纜損傷不斷增加導(dǎo)致平臺(tái)向背風(fēng)纜方向運(yùn)動(dòng)，從而使得背風(fēng)纜軸向拉伸減小，同時(shí)由于背風(fēng)纜承受的拉力較小，受損傷幾率小，故動(dòng)剛度幾乎不變，所以其軸向張力隨迎風(fēng)纜損傷不斷增加而減小。系纜4-6、系纜10-12在迎風(fēng)纜損傷不斷增加過程中，軸向張力變化不大，是由于平臺(tái)在其軸向方向上偏移較小，故其軸向拉伸變化較小，因此其軸向張力變化不明顯。

由上述結(jié)果及分析可知，迎風(fēng)纜確實(shí)較其他部位纜繩承受更大的軸向張力，故其更易發(fā)生損傷。系纜損傷又造成其動(dòng)剛度的改變，而系纜動(dòng)剛度的改變對(duì)平臺(tái)的偏移及系纜張力有顯著影響。故前文所提到的手冊(cè)或規(guī)范[19-23]提及的工程中系纜更換建議標(biāo)準(zhǔn)有待完善。首先在系纜檢測(cè)過程中，應(yīng)著重對(duì)迎風(fēng)纜的檢驗(yàn)。其次在考察系纜的性能時(shí)，應(yīng)綜合考慮系纜損傷對(duì)殘余強(qiáng)度和系纜動(dòng)剛度的影響，通過引入損傷系纜動(dòng)剛度的演變而分析平臺(tái)偏移及系纜張力的變化，進(jìn)而驗(yàn)證平臺(tái)偏移是否滿足其在要求環(huán)境下安全作業(yè)或極端條件下自保，以及考慮系纜內(nèi)部張力與其殘余強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)，如無(wú)法滿足規(guī)范條件，應(yīng)對(duì)纜繩進(jìn)行更換。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)主體系纜的合成纖維纜繩動(dòng)剛度表達(dá)、損傷研究現(xiàn)狀，以及工程中系纜損傷檢驗(yàn)及更換建議進(jìn)行了調(diào)研。借鑒綜合考慮平均張力、應(yīng)變幅值、荷載循環(huán)周次和系纜損傷度的動(dòng)剛度公式，對(duì)其進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。選用繩徑為6 mm的12股高強(qiáng)聚乙烯纜繩設(shè)計(jì)并實(shí)施了損傷動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到簡(jiǎn)化公式的參數(shù)，并進(jìn)行了誤差分析，同時(shí)利用另外兩組工況對(duì)簡(jiǎn)化公式進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了該公式的可靠性。由于系纜動(dòng)剛度無(wú)尺寸效應(yīng)，故將小比尺實(shí)驗(yàn)得到的動(dòng)剛度公式導(dǎo)入系泊分析軟件，結(jié)合水動(dòng)力分析軟件，進(jìn)行算例分析。

算例分析對(duì)象為處于水深3 000 m、南海環(huán)境的一座FPSO，系泊系統(tǒng)系纜分布采用單點(diǎn)式4×3型，主體系纜采用繩徑為194 mm的高強(qiáng)聚乙烯纜繩。就迎風(fēng)纜損傷設(shè)計(jì)了10組工況，得出了以下結(jié)論：1)隨著迎風(fēng)纜損傷不斷加大，系纜的剛度不斷減小，平臺(tái)水平位移逐漸增大。2)迎風(fēng)纜較其他部位纜繩承受更大張力，且張力最大值隨系纜損傷增加而減小。但這并不意味著系纜更加安全，因?yàn)殡S著系纜的損傷，纜繩的破斷強(qiáng)度也將有折減，但其折減演變規(guī)律尚有待研究。而背風(fēng)纜較其他部位纜繩承受更小的張力，同時(shí)該張力隨著迎風(fēng)纜損傷增加而不斷減小。其他兩組系纜方向與環(huán)境荷載方向垂直的系纜張力變化不大。3)建議在實(shí)際系纜檢測(cè)過程中，應(yīng)重視對(duì)迎風(fēng)纜損傷的檢驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)綜合考慮殘余強(qiáng)度隨損傷的折減，以及損傷對(duì)系纜動(dòng)剛度的影響。

通過分析，明確了損傷通過影響系纜動(dòng)剛度從而對(duì)平臺(tái)偏移和系纜內(nèi)部張力有較大的影響，這為在實(shí)際工程中引入系纜損傷動(dòng)剛度決策系纜檢驗(yàn)或更換提供了依據(jù)，同時(shí)對(duì)更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)用合成纖維系纜具有重要意義。

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Impacts of damaged ropes on the dynamic response of the taut-wire mooring system

LI Weinan, LIU Haixiao, LIAN Yushun

(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.002

1005-9865(2017)03-0011-10

2016-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(51539008)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(14JCZDJC39900)

李偉男(1991-)，男，河北人，碩士研究生，主要從事深海錨固結(jié)構(gòu)和深水系泊技術(shù)研究。E-mail：liweinan@tju.edu.cn

劉海笑，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：liuhx@tju.edu.cn