余 驍，雷 慧，王 允

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施以及海上油氣資源的開(kāi)發(fā)，與常規(guī)FPSO或采油平臺(tái)相配套的其他船型浮式平臺(tái)將被應(yīng)用于淺水海域。我國(guó)渤海地區(qū)有豐富的油氣資源，到目前為止，探明地質(zhì)儲(chǔ)量6億噸，但大部分為淺水油田[1]。在渤海海域，通常采用軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置對(duì)FPSO進(jìn)行系泊。與單點(diǎn)系泊比較，多點(diǎn)系泊不需要復(fù)雜的機(jī)械，也不需要流體旋轉(zhuǎn)接頭，可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，系統(tǒng)工程投資顯著降低，非常適用于FPSO，以實(shí)現(xiàn)小型或邊際油田的經(jīng)濟(jì)性開(kāi)發(fā)[2]。多點(diǎn)系泊系統(tǒng)通常用于環(huán)境條件較為溫和的海域，在西非和印尼海域，有部分FPSO采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。在我國(guó)海域，還沒(méi)有FPSO采用多點(diǎn)系泊的工程案例。隨著多點(diǎn)系泊技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種不同型式的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

目前，水深1 500 m以內(nèi)的半潛平臺(tái)大多采用鋼制懸鏈線多點(diǎn)系泊進(jìn)行定位，但對(duì)于淺水海域，由于水深較淺，由系纜自身質(zhì)量形成的懸鏈線效應(yīng)不明顯，較難提供足夠的回復(fù)力。淺水海域使用懸鏈線式系泊，需要較長(zhǎng)的系泊鏈以防止錨上出現(xiàn)上拔力，占用的海域面積較大。近年來(lái)，合成纖維纜開(kāi)始作為浮式結(jié)構(gòu)物的永久系泊系統(tǒng)使用，并因其具有強(qiáng)度質(zhì)量比大、彈性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛代替了錨鏈和鋼絲繩[3]。合成纖維纜一般用在超深水平臺(tái)上，可以有效減小系泊纜自身重量，目前還沒(méi)有在淺水中應(yīng)用。本文以擬作業(yè)于渤海海域的某船型浮式平臺(tái)為例，設(shè)計(jì)2種不同型式的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，對(duì)比分析二者的系泊性能，從系泊性能的角度研究多點(diǎn)系泊系統(tǒng)在淺水中的適用性，為淺水船型浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 浮式平臺(tái)主尺度和環(huán)境條件

1.1 平臺(tái)主尺度

以某船型浮式平臺(tái)為例進(jìn)行說(shuō)明，浮式平臺(tái)主要尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 浮式平臺(tái)主要尺度參數(shù)Tab. 1 Main dimensions of the floating platform

1.2 環(huán)境條件

海洋環(huán)境條件見(jiàn)表2。選用JONSWAP波浪譜，譜峰因子根據(jù)計(jì)算選取。

表2 海洋環(huán)境條件Tab. 2 Environment conditions

選擇JONSWAP海浪譜，公式如下：

2 浮式平臺(tái)系泊方案

2.1 懸鏈?zhǔn)较挡?/h3>

懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)的系泊纜采用鋼纜-聚酯纖維-鋼纜三段式，中段采用質(zhì)量較輕的高強(qiáng)度聚酯纖維，兩端采用耐磨的鋼絲繩。為了增強(qiáng)懸鏈效應(yīng)，優(yōu)化系泊纜特性，在系泊纜上相應(yīng)位置使用配重以加深懸鏈線輪廓。通常情況下，懸鏈?zhǔn)较挡粗械南挡蠢|會(huì)采用錨鏈或錨鏈與鋼纜組合。當(dāng)水深較深時(shí)，為減小錨鏈重量，增加浮體載重量，才會(huì)采用質(zhì)量更輕強(qiáng)度更大的聚酯纖維纜。在淺水海域，由于水深較淺，大部分系泊纜是直接臥于海床上，并沒(méi)有起到懸鏈的作用，此時(shí)主要考慮系泊纜的張力特性，由于聚酯纖維纜軸向剛度小，受力特性更好，故將系泊纜設(shè)計(jì)為三段式。為保證錨基不承受上拔力，設(shè)計(jì)單根系泊纜長(zhǎng)度305 m，系泊半徑298.5 m。系泊系統(tǒng)采用18根系泊纜，分為6組，系泊纜編號(hào)如圖1所示。由于船型平臺(tái)橫向載荷明顯大于縱向載荷，系泊纜主要承受橫向載荷，故將系泊纜按照?qǐng)D1所示布置，系泊纜1與水平方向夾角為85°，每組纜繩間夾角為5°。橫向布置的系泊纜主要作用是抵抗橫向載荷和控制浮體橫向位移，縱向系泊纜主要作用是限制浮體縱向位移，縱向載荷相對(duì)較小。配重1距離船體導(dǎo)纜孔20 m，配重2距離配重1為30 m，配重為正方體高強(qiáng)度混凝土，邊長(zhǎng)3 m，水中凈重為40.5 t。系泊纜的主要物理參數(shù)如表3所示。

圖1 計(jì)算模型俯視圖Fig. 1 Vertical view of the calculation model

圖2 計(jì)算模型側(cè)視圖Fig. 2 Side view of the calculation model

表3 系泊纜材料屬性Tab. 3 Mooring rope material properties

2.2 張緊式系泊

張緊式系泊系統(tǒng)的系泊纜也采用鋼纜-聚酯纖維-鋼纜三段式。張緊式系泊系統(tǒng)由于系泊纜質(zhì)量輕和預(yù)張力的作用，在系泊初始時(shí)刻系泊纜處于張緊狀態(tài)。系泊纜與水平面的夾角和預(yù)張力大小直接影響到系泊系統(tǒng)的總體性能[4]。張緊式系泊系統(tǒng)也采用18根系泊纜，分為6組，對(duì)稱布置于浮體上，系泊纜與水平方向夾角與懸鏈?zhǔn)较嗤?，單根系泊纜長(zhǎng)度116 m，系泊半徑112 m。系泊纜與海床的夾角需盡可能小以提供較大的水平回復(fù)力，本方案中系泊纜與海床夾角為15°。系泊纜布置如圖3和圖4所示，系泊纜的主要物理參數(shù)如表4所示。

圖3 計(jì)算模型俯視圖Fig. 3 Vertical view of the calculation model

圖4 計(jì)算模型側(cè)視圖Fig. 4 Side view of the calculation model

表4 系泊纜材料屬性Tab. 4 Mooring line material properties

3 多點(diǎn)系泊系統(tǒng)性能計(jì)算

3.1 系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核準(zhǔn)則

系泊系統(tǒng)主要功能是保證浮體在允許范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)需滿足規(guī)范要求：

1）工作海域百年一遇的最大水平位移需控制在30%的水深范圍內(nèi)[4]；

2）完整纖維材料張緊式系泊系統(tǒng)的系纜張力安全系數(shù)應(yīng)大于1.83，一根系纜破斷后的張力最小安全系數(shù)為1.38[5]；

3）為避免系纜受壓和摩擦破壞，纖維材料系纜上最小張力應(yīng)大于5%～10%破斷強(qiáng)度[5]。

3.2 時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

綜合考慮風(fēng)、浪、流以及系泊系統(tǒng)回復(fù)力的聯(lián)合作用，浮式平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程[6-8]為：

式中：M為浮體的質(zhì)量矩陣；A（∞）最大計(jì)算頻率對(duì)應(yīng)的附加質(zhì)量矩陣；r（t）為輻射阻尼的脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣；D為浮體慢漂阻尼矩陣；K為浮體靜水回復(fù)力剛度矩陣；F（1）（t），F(xiàn)（2）（t）分別為一階、二階波浪載荷；FW（t），F(xiàn)C（t）分別為風(fēng)流載荷；FM（t）為系泊系統(tǒng)提供的回復(fù)力。

在不規(guī)則波浪下，作用于結(jié)構(gòu)物上的瞬時(shí)波浪力可以寫(xiě)為：

式中：η（τ）為海浪隨機(jī)波面升高的時(shí)域歷程；h（t）為脈沖響應(yīng)函數(shù)，由一階波浪力傳遞函數(shù)通過(guò)傅里葉變換得到，即

根據(jù)整個(gè)頻率范圍內(nèi)的fw（ω），即可按上式求得h（t），然后按波浪時(shí)歷η（τ），根據(jù)式（3）求得一階波浪力。

F（2）（t）為二階波浪力，Aj，Ak為雙色波幅值，ωj，ωk為雙色波的不同頻率，εj、εk為隨機(jī)相位角，和分別為頻域內(nèi)FPSO在不同浪向不同頻率下的二階差頻波浪載荷傳遞函數(shù)的實(shí)部和虛部。

3.3 計(jì)算工況

對(duì)于本浮體，作業(yè)工況和自存工況排水量不變。多點(diǎn)系泊系統(tǒng)不具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，浮式平臺(tái)橫向載荷明顯大于縱向載荷，所以在設(shè)置計(jì)算工況時(shí)，重點(diǎn)考慮橫向的風(fēng)、浪、流條件，由于篇幅有限，僅選擇部分典型風(fēng)、浪、流組合工況進(jìn)行計(jì)算，百年一遇自存工況風(fēng)、浪、流組合見(jiàn)表5。風(fēng)、流載荷計(jì)算參考OCIMF[9]中關(guān)于FPSO風(fēng)、流載荷的計(jì)算方法。

表5 風(fēng)、浪、流方向組合Tab. 5 Direction combination of the wind、wave and current

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻響

平臺(tái)在微幅波作用下做六自由度運(yùn)動(dòng)，在線性化假定條件下，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值與入射波幅值之比即為頻率響應(yīng)函數(shù)，頻響與平臺(tái)的主尺度和線型有關(guān)，是平臺(tái)的固有屬性。分別以180°，135°和90°為入射角，計(jì)算3個(gè)方向上浮式平臺(tái)的頻響，結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 平臺(tái)橫搖頻響Fig. 5 Roll RAO of the platform

從結(jié)果來(lái)看，平臺(tái)橫搖峰值較大，橫搖峰值對(duì)應(yīng)的周期為9.66 s，說(shuō)明平臺(tái)阻尼偏小，而且平臺(tái)固有周期與百年一遇波浪的譜峰周期較為接近，橫搖性能較差，需要改善。從縱蕩頻響可以看出，低頻時(shí)縱蕩頻響幅值明顯大于高頻，浮體低頻效應(yīng)顯著。

3.4.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果

圖6 平臺(tái)縱搖頻響Fig. 6 Pitch RAO of the platform

圖7 平臺(tái)縱蕩頻響Fig. 7 Surge RAO of the platform

圖8 平臺(tái)垂蕩頻響Fig. 8 Heave RAO of the platform

時(shí)域計(jì)算可以得到浮式平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷曲線，風(fēng)、浪、流均為90°時(shí)，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅度最大，懸鏈線系泊方式下平臺(tái)橫蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線如圖9～圖10所示。張緊式系泊狀態(tài)下平臺(tái)橫蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線如圖11～圖12所示。計(jì)算結(jié)果表明，在百年一遇的環(huán)境條件下，風(fēng)、浪、流同為90°時(shí)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移最大。

圖9 平臺(tái)橫蕩曲線Fig. 9 Sway curve of the platform

圖10 平臺(tái)垂蕩曲線Fig. 10 Heave curve of the platform

圖11 平臺(tái)橫蕩曲線Fig. 11 Sway curve of the platform

圖12 平臺(tái)垂蕩曲線Fig. 12 Heave curve of the platform

由表6可知，對(duì)于懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，在完整工況下，平臺(tái)的最大偏移幅值為8.32 m，為水深的26%；1根系泊纜破斷的情況下，平臺(tái)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)與完整工況相比，變化不大，平臺(tái)最大偏移幅值為9.10 m，為水深的28.4%，小于規(guī)范要求的30%[4]，即平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度滿足規(guī)范要求，不過(guò)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度仍然相對(duì)較大。由表7可知，對(duì)于張緊式系泊系統(tǒng)，無(wú)論是完整工況還是1根系泊纜破斷的情況，平臺(tái)平動(dòng)幅度均相對(duì)較小，而橫搖幅值較大，比較危險(xiǎn)。

表6 懸鏈?zhǔn)较挡催\(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果Tab. 6 The caculation results of the motion for catenary mooring system

3.4.3 系泊纜張力計(jì)算結(jié)果

在百年一遇的環(huán)境條件下，系泊纜完整狀態(tài)和一根系泊纜破斷的情況下各個(gè)系泊纜受力情況如表8和表9所示。由于系泊纜分為幾段，聚酯纖維和鋼纜的破斷強(qiáng)度不同，其安全系數(shù)需分別表示。系泊纜編號(hào)1-2表示1號(hào)系泊纜第2段，即聚酯纖維段。

表7 張緊式系泊運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果Tab. 7 The caculation results of the motion for taut mooring system

表8 懸鏈?zhǔn)较挡蠢|張力計(jì)算結(jié)果（kN）Tab. 8 The caculation results of the mooring line tensions for catenary tpye

由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于懸鏈?zhǔn)蕉帱c(diǎn)系泊系統(tǒng)，無(wú)論是完整工況還是1根纜破斷的情況，系泊纜上的張力均相對(duì)較小，滿足規(guī)范要求，而張緊式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊纜張力均較大，已超過(guò)系泊纜的承受能力，系泊纜張力不滿足規(guī)范要求。當(dāng)1根系泊纜破斷時(shí)，與之相臨的2根系泊纜張力會(huì)顯著增大，而其他系泊纜張力變化不大，甚至?xí)鄳?yīng)減小。在選擇不同系泊纜材料時(shí)，材料的破斷強(qiáng)度盡量相近，否則安全系數(shù)可能相差較大。在2種系泊方式下，13-18號(hào)系泊纜上的張力均相對(duì)較小。13-18號(hào)系泊纜的主要作用是控制平臺(tái)的縱向位移，若不設(shè)置這些系泊纜，在工況3～工況5中，平臺(tái)縱向位移均超過(guò)規(guī)范要求的范圍。

表9 張緊式系泊纜張力計(jì)算結(jié)果（kN）Tab. 9 The caculation results of the mooring line tensions for taut type

4 結(jié) 語(yǔ)

采用AQWA軟件，在頻域范圍內(nèi)計(jì)算了船型浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，隨后對(duì)懸鏈?zhǔn)胶蛷埦o式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊性能進(jìn)行了多種風(fēng)、浪、流組合工況的時(shí)域耦合計(jì)算，得到了平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷和各系泊纜上的張力。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

1）張緊式系泊系統(tǒng)浮體平動(dòng)位移相對(duì)較小，橫搖幅值和各系泊纜張力較大，系泊纜張力不滿足規(guī)范要求。若要使用張緊式系泊系統(tǒng)，需增大系纜破斷強(qiáng)度和錨基抗拔力，實(shí)現(xiàn)難度較大；

2）懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)浮體平動(dòng)位移相對(duì)較大，但是橫搖幅值和系纜張力均相對(duì)較小，浮體運(yùn)動(dòng)幅度和系纜張力均滿足規(guī)范要求。懸鏈?zhǔn)蕉帱c(diǎn)系泊系統(tǒng)對(duì)于淺水船型浮式平臺(tái)是可行的，不過(guò)浮體的水平位移仍然需要重點(diǎn)關(guān)注；

3）無(wú)論是張緊式還是懸鏈?zhǔn)较挡?，?dāng)一根系泊纜破斷時(shí)，與之相臨的兩根系泊纜張力會(huì)顯著增大，而其他系泊纜張力變化不大，甚至?xí)鄳?yīng)減小，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度變化不大。

對(duì)于在淺水海域使用的船型浮式平臺(tái)，懸鏈線多點(diǎn)系泊可以滿足使用要求，工程投資較小，經(jīng)濟(jì)性較好，而且技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，但懸鏈線較長(zhǎng)、系泊半徑較大，占用海域面積大，對(duì)通航有一定影響。