摘要: 針對一個具有非對稱下浮體結(jié)構(gòu)的新型半潛式起重平臺，基于三維勢流理論，采用水動力計算軟件Aqwa，根據(jù)系泊系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對該平臺的懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)進(jìn)行布置并進(jìn)行3h時域系泊模擬。考慮3種不同的風(fēng)浪流海況，研究此平臺的系泊系統(tǒng)特性。研究發(fā)現(xiàn)8根系泊纜方案較12根系泊纜方案更為經(jīng)濟(jì)且能滿足性能要求，最后針對8根系泊纜方案選取了5種懸鏈松弛度，對比找出最佳松弛度，發(fā)現(xiàn)最佳松弛度為7.5。

關(guān)鍵詞：非對稱半潛式起重平臺；勢流理論；系泊系統(tǒng)；懸鏈松弛度

0 引言

半潛式平臺擁有優(yōu)良的運(yùn)動性能，在海上石油勘探、開采方面得到了廣泛的應(yīng)用[1–2]，半潛式起重支持平臺在海上石油開發(fā)過程中有著不可替代的作用[3]。

本文研究的新型半潛式起重平臺（非對稱）（見圖1），與傳統(tǒng)的半潛平臺結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。結(jié)構(gòu)關(guān)于中縱剖面非對稱，2臺起重機(jī)同時安裝在大浮筒一側(cè)，雙機(jī)同時作業(yè)時能有效靈活地調(diào)節(jié)起重平臺與被安裝平臺的距離，顯著提升作業(yè)效率。箱型上層單元主要是居住單元，艙室可容納750人[4]。平臺總排水量58206t，主浮筒長為137.75m，寬19.5m，高12m；副浮筒長為122m，寬13.5m，高12m。與之相對應(yīng)的，主支柱長為22.5m，寬19.5m，高18m；支腿支柱長為16.5m，寬13.5m，高18m。箱型上層船體總長為81m，寬81m，高12.8m。平臺的具體主尺度參數(shù)如表1所示。

半潛式平臺系泊系統(tǒng)特性研究對于平臺及系泊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化具有重要意義。因?yàn)闀r域迭代的方法計算時間較長，為了做到平衡精度和效率，文獻(xiàn)[5–8]提出了一些有效的完全耦合計算方法。為創(chuàng)造更有利于平臺鉆井作業(yè)的外部環(huán)境，袁培銀等[9]提出一種新型多浮體系泊系統(tǒng)，在1500m水深，風(fēng)、浪、流同向作用下，對平臺－連接體－錨鏈－張力筋腱組成的多浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全時域耦合分析，并將新型多浮體系泊系統(tǒng)和傳統(tǒng)張緊式系泊系統(tǒng)計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)論充分體現(xiàn)新型系泊系統(tǒng)設(shè)計的合理性、優(yōu)越性。白雪平[10]以半潛式平臺為研究對象，設(shè)定了相應(yīng)的規(guī)則波，模擬了該平臺在規(guī)則波中的時域運(yùn)動響應(yīng)。其先根據(jù)錨鏈參數(shù)設(shè)計系泊系統(tǒng)，然后采用8根和12根不同的纜繩布置形式，研究其動力響應(yīng)的差異。童波等[11]以工作水深為1500m的半潛式平臺為研究對象，設(shè)定了系泊纜直徑、長度、預(yù)張力角度等相關(guān)變量，從而進(jìn)行平臺系泊系統(tǒng)的動態(tài)特性研究。該研究還以纜繩數(shù)量、纜繩布置角度為變量，進(jìn)行了系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析。系列研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)南挡聪到y(tǒng)設(shè)計，即合適的纜繩數(shù)量、合理的纜繩布置角度，對平臺的運(yùn)動響應(yīng)特性起到積極影響，能夠提升系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)性能。

影響平臺及系泊性能的因素很多，如系泊纜數(shù)目、系泊纜的松弛度等，本文研究這些參數(shù)對非對稱半潛式起重平臺的運(yùn)動響應(yīng)和纜繩張力的影響規(guī)律。

1 系泊系統(tǒng)布置

考慮作業(yè)水深為200m，選取懸鏈線式系泊方式。系泊纜經(jīng)常采用放射型均勻布置，朝向各個方向，這樣可以提供給平臺任意角度的回復(fù)力，保證平臺平穩(wěn)正常作業(yè)。在系泊系統(tǒng)的布置上使用8根或12根鋼纜材質(zhì)的系泊纜繩，選擇傾斜波浪方向中預(yù)計的較大環(huán)境負(fù)荷的系泊纜繩布局方案，如圖2和圖3所示。平臺坐標(biāo)系為o-xyz，原點(diǎn)位于平臺方向。圍繞平臺均勻間隔對稱布置，8根系泊纜分為4組，每組由2根構(gòu)成，每組內(nèi)系泊纜夾角為45°；12根系泊纜分為4組，每組由3根構(gòu)成，每組內(nèi)相鄰系泊纜夾角為30°。

非對稱半潛式起重平臺進(jìn)行時域仿真模擬的系泊纜參數(shù)如表2所示。系泊纜直徑76mm，長度為1500m，空氣中系泊纜單位質(zhì)量為24.7kg/m，等效截面面積0.023m2，軸向剛度7.0×109N，破斷力為4.159×107N。

2 不同數(shù)量系泊纜系泊系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)和張力分析

環(huán)境載荷方向選取90°、135°、180°典型角度，此角度定義為風(fēng)浪流的來向與船首（即平臺坐標(biāo)系x正向）所成角度，浪向角示意圖如圖4所示。本文數(shù)值模擬采用不規(guī)則波Jonswap波譜，其表達(dá)式如式（1）所示。選擇北海海域的作業(yè)工況，有義波高為6m，譜峰周期為7.78s，γ取3.3。取定常海風(fēng)與海流，速度分別為20m/s和1.03m/s。計算海域深度為200m，模擬時間為10800s（即3h）。環(huán)境參數(shù)均由設(shè)計方給定，相關(guān)環(huán)境參數(shù)的設(shè)定具體見表3。

式中：A=1?0.287ln(γ)，為無因次參數(shù)；γ為譜峰升高因子；σ為譜型參數(shù)，當(dāng)波浪頻率ω>ωP時，σ=0.09；反之，σ=0.07。圖5~圖7分別為作業(yè)海況90°、135°、180°的8根與12根系泊纜運(yùn)動響應(yīng)歷時曲線及最大張力歷時曲線。為了直觀，選取前4000s的歷時曲線圖。

1）作業(yè)海況90°

圖5（a）和圖5（b）分別為8根和12根系泊纜在風(fēng)浪流入射角為90°時的橫蕩響應(yīng)時域曲線。8根系泊橫蕩最大響應(yīng)值為8.10m，12根系泊橫蕩最大響應(yīng)值為6.96m，最大水平偏移量分別為水深的4.05%和3.48%，均符合規(guī)范要求的小于水深10%。圖5（c）和圖5（d）分別為8根和12根系泊纜對應(yīng)的最大系泊張力歷時曲線。8根系泊纜方案張力最大的是7#纜繩，最大張力值為4.04×106N，12根系泊纜方案張力最大的是10#纜繩，最大值為3.83×106N，二者較系泊纜的斷裂剛度4.159×107N低一個數(shù)量級。可以看出，12根系泊纜對應(yīng)的平臺最大水平偏移量和纜繩最大張力值皆低于8根系泊纜。

2）作業(yè)海況135°

圖6（a）和圖6（b）分別為8根和12根系泊纜在135°海況下的縱蕩響應(yīng)時域曲線。8根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為8.97m，12根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為6.23m，最大水平偏移量分別為水深的4.49%和3.12%，和90°海況的結(jié)果接近，滿足規(guī)范要求。圖6（c）和圖6（d）分別為8根和12根系泊纜的系泊張力歷時曲線。8根系泊方案張力最大的是8#纜繩，最大張力值為7.59×106N，12根系泊方案張力最大的是11#纜繩，最大值為7.11×106N。該海況下的最大張力與90°海況相比增加約1倍，但依舊遠(yuǎn)低于系泊纜的斷裂剛度4.159×107N。與90°海況得到的結(jié)論一致，隨著纜繩數(shù)目的增加，非對稱半潛式起重平臺縱蕩最大值和系泊最大張力值皆有所減少，但該海況的危險度高于90°海況。

3）作業(yè)海況180°

從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，在180°海況下，8根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為12.36m，12根系泊縱蕩最大響應(yīng)值為10.31m，最大水平偏移量分別為6.18%和5.15%，大于90°和135°海況的結(jié)果，但依然小于規(guī)范要求的10%。圖7（c）和圖7（d）分別為8根和12根系泊纜在風(fēng)浪流180°下的系泊張力歷時曲線。8根系泊方案張力最大的是8#纜繩，最大值為7.31×106N，12根系泊纜方案張力最大的是12#纜繩，最大值為6.60×106N，略低于135°海況的結(jié)果。

參考API規(guī)范[12]和ABS規(guī)范[13]中的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對該平臺的系泊系統(tǒng)進(jìn)行安全校核，規(guī)范中要求系泊纜的最大拉伸強(qiáng)度的安全因子為1.67。8根和12根系泊纜的平臺及系泊系統(tǒng)在作業(yè)海況下的運(yùn)動特性及張力量值統(tǒng)計情況分別如表4和表5所示。

通過對比可以看出，纜繩的數(shù)量對平臺運(yùn)動和系泊纜動力響應(yīng)的影響比較明顯，隨著纜繩數(shù)目的增加，平臺偏移量和系泊纜張力響應(yīng)幅值均有所降低，系泊性能越來越優(yōu)良。對比8根系泊纜方案和12根系泊纜方案，前者對應(yīng)系泊線張力最大值為7.59×106N，安全系數(shù)為5.47；后者的張力最大值為7.11×106N，安全系數(shù)為5.84，系泊纜安全系數(shù)都大于規(guī)范要求的1.67。8根系泊纜方案的最大水平偏移為12.36m，為水深的6.18%；12根系泊纜方案的最大水平偏移為10.31m，為水深的5.15%，其最大位移都符合規(guī)范要求的小于10%水深。綜上，系泊性能均滿足要求，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，8根纜系泊方式的經(jīng)濟(jì)性更好，系泊纜的布置也更方便。

3 懸鏈松弛度

研究8根系泊纜方案下懸鏈松弛度對平臺運(yùn)動響應(yīng)及系泊纜張力的影響規(guī)律。懸鏈松弛度是指在導(dǎo)纜孔及錨點(diǎn)坐標(biāo)不變的情況下，面對相同水深，采用不同長度的系泊纜（L1～L5）。從圖8可以看到，懸鏈松弛度的變化可更加直觀的從系泊纜與水面處交點(diǎn)處的切線與X軸的夾角（θ）的變化看出，也可從臥鏈長度（l1～l5）的變化來做出對比[14]。

隨著懸鏈松弛度的增大，懸鏈與海底的夾角逐漸減小，錨鏈與海底接觸的長度逐漸增大。為了得到懸鏈線松弛度對其他參數(shù)結(jié)果的影響規(guī)律，選取5種不同松弛度的系泊纜，L1～L5代表系泊纜的長度，h代表水深。根據(jù)系泊纜初始設(shè)定長度1500m，初始懸鏈線的松弛度為7.5，懸鏈線的松弛度（L/h）分別取7.0、7.25、7.5、7.75和8.0。由于只是研究懸鏈線松弛度大小對非對稱半潛式起重平臺運(yùn)動及系泊纜的受力影響規(guī)律，因此僅考慮最危險的海況，即135°海況。對系泊纜不同松弛度的計算結(jié)果進(jìn)行分析，分別選取不同懸鏈線松弛度對應(yīng)平臺運(yùn)動的最大水平位移和對應(yīng)系泊纜受力的最大值及平均值，然后使用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件Origin對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得規(guī)律曲線圖，分別如圖9和圖10所示。系泊纜張力統(tǒng)計結(jié)果見表6。

結(jié)合圖9～圖10以及表6可以發(fā)現(xiàn)，隨著懸鏈線松弛度的增大，對應(yīng)的平臺位移的最大值和平均值呈現(xiàn)波動變化。根據(jù)圖9可以看出，松弛度為7.25時，平臺水平位移最大，達(dá)131.51m，可能是因?yàn)槠脚_受系泊纜約束不夠，在某一時刻發(fā)生很大偏移。根據(jù)海上平臺作業(yè)規(guī)范，平臺最大水平位移應(yīng)小于水深的10%。本文所研究的目標(biāo)是非對稱半潛式起重平臺，作業(yè)水深為200m，水平位移應(yīng)小于20m。從圖9可以看出，松弛度為7.0、7.25、7.75和8.0的最大水平位移均大于20m；當(dāng)松弛度為7.5時，最大水平位移為8.97m，符合作業(yè)要求。綜上，只有懸鏈松弛度為7.5的系泊纜符合平臺運(yùn)動性能要求。隨著懸鏈線松弛度的增大，其對應(yīng)的平臺系泊纜張力的最大值和平均值逐漸減小。由表6可以看出，5種松弛度下受力最大系泊纜為7#和8#纜繩，這可能是因?yàn)檫@2根纜繩位于135°浪向方向附近，同方向的風(fēng)浪流載荷最大，受到的系泊張力也最大。松弛度為7.0時7#纜繩的張力最大，安全系數(shù)最小，系泊纜最大值為1.69×107N，安全系數(shù)為2.47，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的最低1.67。所以綜合考慮運(yùn)動性能和安全性，懸鏈松弛度為7.5的系泊纜方案最優(yōu)。

4 結(jié)語

本文研究非對稱半潛式起重平臺系泊系統(tǒng)的特性，對可能的參數(shù)展開計算分析，主要研究參數(shù)為系泊纜數(shù)目、系泊纜懸鏈松弛度和海況條件。系泊系統(tǒng)為懸鏈?zhǔn)椒派湫途鶆虿季郑鳂I(yè)條件為北海典型海域海況。在系泊纜數(shù)目參數(shù)中，分別對8根和12根系泊纜方案進(jìn)行研究，比較2種方案在3種不同風(fēng)浪流角度（90°、135°和180°）下的平臺運(yùn)動和系泊纜張力情況，發(fā)現(xiàn)在同時滿足規(guī)范要求的情況下，8根系泊纜的經(jīng)濟(jì)性更好。針對8根系泊纜方案最危險的海況（135°海況），研究5種不同的系泊纜懸鏈松弛度的影響，對比發(fā)現(xiàn)懸鏈松弛度為7.5的系泊纜運(yùn)動性能和安全性最好。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝彬,王世圣,馮瑋,等.3000m水深半潛式鉆井平臺關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2008,(12):34-36.

[2]周珊.王才良.海上鉆井裝置的發(fā)展歷程[J].石油科技論壇.2004,(2):46-51.

[3]楊忠華.半潛式起重生活平臺總體設(shè)計技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué).2015.

[4]ORMBERGH,LARSENK.Coupledanalysisoffloatermotionandmooringdynamicsforaturret-mooredship[J].AppliedOceanResearch,1998,20(1–2):55–67.

[5]CHAUDHURYG,etal.Coupleddynamicanalysisofplatforms,risers,andmoorings[C]//OffshoreTechConf,2000.

[6]KIMS.SCLAVOUNOSPD.Fullycoupledresponsesimulationsofthemeoffshorestructuresinwaterdepthsofupto10,000feet[C]//OffshoreTechConf,2001.

[7]SENRASF,etal.Towardstheintegrationofanalysisanddesignofmooringsystemsandrisers,PartII:StudiesonaDICASsystem[C]//ProcIntConfonOffshoreMechandArcticEng,2002,1:291–298.

文章來源： 艦船科學(xué)技術(shù)  ,2023年14期