系泊參數(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：海上追風 創(chuàng)建時間：2023-02-16
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系泊參數(shù)的實例教程
上述文獻關(guān)于系泊對漂浮式風力機的影響已開展了較全面的研究，且分析了系泊失效對平臺的影響，但仍存在一定局限。由于漂浮式風力機不僅受到浪載荷和流載荷的影響，上部結(jié)構(gòu)（葉輪、塔架和機艙等）還會受到風載荷的作用，且風載荷與浪、流載荷存在相互耦合，共同影響整機運動。因此，本文基于F2A開展了風、浪、流耦合作用下不同位置系泊失效對平臺響應(yīng)特性的研究[17]。
1 研究對象
1.1 漂浮式風力機模型
研究對象為基于ITI Energy Barge平臺的NERL 5 MW漂浮式風力機。風力機主要參數(shù)見表1，漂浮式平臺主要參數(shù)見表2，漂浮式風力機整機[18]如圖1所示。通過kaimal湍流風譜模型，生成了漂浮式風力機全流域風場，由葉素動量理論結(jié)合風力機翼型氣動參數(shù)，對風輪在額定風速11.4m/s所受非定常氣動載荷進行了求解。并基于P-M波浪譜生成漂浮式平臺所處海域的不規(guī)則波，根據(jù)輻射/繞射理論計算3m有義波高與10s跨零周期的波浪載荷。
表1 NREL 5MW風力機參數(shù)表
表2 ITI Energy Barge平臺參數(shù)表
圖1 Barge平臺漂浮式風力機
1.2 漂浮式風力機系泊系統(tǒng)
Barge平臺通過與四個角上導纜孔的8根系泊與海底錨點相連，圖2為帶系泊的平臺俯視圖，系泊參數(shù)見表3。系泊失效的標準可以根據(jù)風力機的設(shè)計和運行條件來確定，本文中失效標準是一旦系泊張力超過預設(shè)的限制，就認為系泊系統(tǒng)失效。
圖2 系泊示意圖
表3 系泊參數(shù)
在AQWA中可將連接到平臺的每條系泊纜建模為準靜態(tài)或動態(tài)懸線鏈。系泊纜的準靜態(tài)懸鏈線模型的局部坐標系如圖3所示。
展開 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、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、預張力角度等相關(guān)變量，從而進行平臺系泊系統(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?shù)?em>系泊系統(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計的較大環(huán)境負荷的系泊纜繩布局方案，如圖2和圖3所示。平臺坐標系為o-xyz，原點位于平臺方向。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行時域仿真模擬的系泊纜參數(shù)如表2所示。
展開 通過研究作業(yè)場布場的參數(shù)變化對錨泊系統(tǒng)的影響，總結(jié)出了3點增強錨泊穩(wěn)定性的作業(yè)場布置的原則。對海上救撈作業(yè)場的布設(shè)具有一定的理論指導意義。
關(guān)鍵詞：AQWA;錨泊;救撈作業(yè)場;
0 引言
進行打撈和援潛任務(wù)時往往要進行救撈作業(yè)場布場。為了獲得比較穩(wěn)定的作業(yè)場，通常采用四錨定位，甚至在復雜海況下采取六錨或八錨定位。目前，對海洋平臺的運動響應(yīng)和艦船單點系泊運動響應(yīng)的研究較多[1,2]，但是對艦船多點系泊運動響應(yīng)的研究較少[3,4]，尤其在探索布場參數(shù)變化對救撈作業(yè)場的影響方面研究較少，因此該文對布場參數(shù)對救撈作業(yè)場的影響進行了研究，對提高救撈作業(yè)場的穩(wěn)定性具有一定參考價值。該文以常見的四錨布設(shè)作業(yè)場為例，利用AQWA軟件對其進行了錨泊分析，探索了錨泊參數(shù)對救撈作業(yè)場的影響，可為救撈作業(yè)場布設(shè)方案的分析和設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。
1 研究對象及研究內(nèi)容
1.1 研究對象
該文以救撈船布設(shè)的救撈作業(yè)場為研究對象，救撈船的主尺度見表1，該文根據(jù)母船船型為該船建立了用于仿真計算的幾何網(wǎng)格模型圖。
表1 救撈船主尺度
1.2 作業(yè)場基本參數(shù)
該文在分析中選用的坐標情況如下：船首處為坐標原點，船長方向為X軸，船艏為正；船寬方向為Y軸，右舷為正；型深方向為Z軸，向上為正。錨泊角規(guī)定和纜繩編號如圖1所示。船艏處以錨鏈與船艏正方向的夾角為錨泊角Ψ，船尾處以錨鏈與船艏負方向夾角為錨泊角Ψ。船左、右舷錨泊纜對稱布置。
1.3 錨鏈參數(shù)
圖1 錨泊角設(shè)置示意圖
艦船的系泊纜為單一成分纜，選用的材質(zhì)為76mm直徑的鋼芯鋼纜，相關(guān)參數(shù)見表2。
表2 錨鏈參數(shù)
在軟件中，通過輸入導纜孔的位置、錨泊點的位置以及纜繩的長度，可建立纜繩的懸鏈線方程，從而給出纜繩預張力。
展開 系泊纜及錨鏈設(shè)計過程中主要考慮以下內(nèi)容：
布置與選型，通常根據(jù)水深選擇錨鏈形式，根據(jù)油輪噸級設(shè)計系泊纜參數(shù)
采用耦合分析方法（考慮錨鏈、浮筒和船舶的相互作用）對強度及疲勞進行校核，目前常用的系泊分析軟件包括Araine，Aqwa，Moses，Orcaflex和Sesam等
（4）防腐
防腐設(shè)計主要包括涂裝和陰極保護：
根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的腐蝕程度劃分區(qū)域進行涂裝工藝設(shè)計
在水面以下的浮筒結(jié)構(gòu)上通過栓接型式安裝犧牲陽極，以便于保護水下結(jié)構(gòu)和定期更換
腐蝕裕量的計算通常依照ABS相關(guān)規(guī)范
3 單點系泊系統(tǒng)優(yōu)勢
（1）建造周期短，投資成本低
長距離海上油氣集輸作業(yè)以油輪運輸為主，建造用于油輪裝卸的深水固定式碼頭通常需要較高的投資成本和長建造周期。而單點系泊系統(tǒng)的投資費用相對較低，通常為同等作業(yè)能力固定設(shè)施的30% ~ 50%。
同時，單點系泊系統(tǒng)建造周期短，一般為6 ~ 12個月，安裝時間也小于固定平臺和海底管道等設(shè)施。
（2）作業(yè)范圍廣，機動性能強
大型和超大型油輪具有較高的油氣輸送能力，但對港口航道的規(guī)模要求較高。目前絕大多數(shù)的港口航道較窄，水深較淺，配套設(shè)施規(guī)模較小，無法靠泊大型和超大型油輪。
展開 02
系泊設(shè)計方案說明
2.1 環(huán)境參數(shù)
假定本文海洋牧場所處位置為黃海，該海域接近中國重要港口城市，具有運輸方便的優(yōu)點。綜合水文環(huán)境資料，作業(yè)工況和生存工況環(huán)境參數(shù)見表2。
2.2風力機載荷
本文的風力機使用沈陽工業(yè)大學開發(fā)的 200 kW 風力機，不同風速下風力機所受推力（見圖 3）和側(cè)向力（見圖 4）通過查閱文獻所得[11]。根據(jù)所得數(shù)據(jù)將風力機在相應(yīng)風速下所得載荷按照定常力和力矩的形式加入數(shù)值模型中。
2.3 水輪機載荷
水輪機選擇翼型為NACA0018、3葉片的 5kW 潮流能水輪機。為了確定水輪機載荷，通過STAR-CCM+ 數(shù)值模擬得到本文水輪機側(cè)向力（見圖 5）和推力曲線（見圖 6）。根據(jù)所得數(shù)據(jù)將水輪機在相應(yīng)流速下所得載荷按照定常力和力矩的形式加入數(shù)值模型中。
2.4 系泊設(shè)計方案
整個海洋牧場的系泊系統(tǒng)設(shè)計為懸鏈線形式。
展開 
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系泊參數(shù)的最新內(nèi)容
圖2 系泊示意圖
表3 系泊參數(shù)
在AQWA中可將連接到平臺的每條系泊纜建模為準靜態(tài)或動態(tài)懸線鏈。系泊纜的準靜態(tài)懸鏈線模型的局部坐標系如圖3所示。
圖6 橫搖角隨錨泊半徑的變化
圖7 橫搖角隨錨泊半徑的變化
參考文獻
[1] 陳正豪，竇培林，張興剛.系泊參數(shù)對油氣資源開發(fā)保障平臺系泊性能的影響[J].中國海洋平臺，2020,35(3):75-79.
[2] 袁鑫悅，吳潔，姚瀟.FPSO多點系泊技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].船舶工程，2021,41(1):125-130.
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)為懸鏈式放射型均勻布局，作業(yè)條件為北海典型海域海況。
因此，能夠表征系泊纜繩安全的參數(shù)，結(jié)構(gòu)可靠性因子被引入了動力定位控制器的設(shè)計。結(jié)構(gòu)可靠性因子是一個關(guān)于系泊張力的指標，它表示系泊纜繩的斷裂可能，該指數(shù)越小，系泊張力越大，表示系泊纜繩越可能發(fā)生斷裂。
本文將對比純錨鏈方案和錨鏈-鋼纜-錨鏈組合式系泊方案，系泊材料參數(shù)見表3。
根據(jù)海洋牧場形式，浮體的固定系泊點設(shè)置在結(jié)構(gòu)物浮箱底部，每個系泊點連接兩條錨鏈并與海底錨點連接。錨鏈對稱分布，并且兩兩平行。海域水深為100m。
系泊纜及錨鏈設(shè)計過程中主要考慮以下內(nèi)容：
布置與選型，通常根據(jù)水深選擇錨鏈形式，根據(jù)油輪噸級設(shè)計系泊纜參數(shù)
采用耦合分析方法（考慮錨鏈、浮筒和船舶的相互作用）對強度及疲勞進行校核，目前常用的系泊分析軟件包括Araine，Aqwa，Moses，Orcaflex和Sesam等
（4）防腐
防腐設(shè)計主要包括涂裝和陰極保護
本文將對比純錨鏈方案和錨鏈-鋼纜-錨鏈組合式系泊方案，系泊材料參數(shù)見表3。
根據(jù)海洋牧場形式，浮體的固定系泊點設(shè)置在結(jié)構(gòu)物浮箱底部，每個系泊點連接兩條錨鏈并與海底錨點連接。錨鏈對稱分布，并且兩兩平行。海域水深為100m。
