深水半潜式钻井平台码头抗台风系泊计算分析

陈 刚，吴晓源

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

国内对于深水半潜式平台的码头系泊问题的研究较少[4]，尚无经验可以借鉴。本文以某深水半潜式钻井平台及其码头系泊系统为研究对象，进行风、流载荷共同作用下的抗台风系泊计算分析，建立了多浮体混合带缆系泊系统，为工程实际施工提供参考依据。

1 研究方法

以外高桥建造的深水半潜式钻井平台为研究对象，采用模块法（building block method）计算该平台的风载荷，将平台离散成不同的标准构件模块，叠加各组成构件的载荷获得总载荷。对其水下部分，使用计算流体力学（CFD）的方法计算平台的纵向和横向流载荷。对于具有变刚度特性的尼龙系泊缆，使用集中质量法进行模拟。对于橡胶护舷，采用线性化处理，将护舷达到某一反力前的刚度曲线看做线性的，并忽略其受力面积的影响。对于码头护舷，对在达到最大反力值之前看作线性刚度；对于半潜式平台和驳船间的护舷，对在达到最大反力值的60%前看作线性。

2 计算对象及环境条件

2.1 半潜式平台

深水半潜式钻井平台的主尺度如表1所示。

表1 半潜式平台主尺度 m

其出坞舾装状态如表2所示：

表2 半潜式平台舾装状态主要参数

2.2 系泊驳船

在半潜式平台与码头之间垫靠驳船的主尺度为：长75.6m，宽30m，型深4.5m，吃水2.4m，排水量4800t。

2.3 系泊缆

采用尼龙缆绳，其规格是八股绳索的锦纶复丝缆（polyamide multifilament），直径112mm，线密度8.11kg/m，断裂强度为2060kN。尼龙缆绳具有变刚度特性，其刚度曲线如图1所示。

②2008年、2011年，浙江温州等地区连续出现多起企业家“跑路”现象，如眼镜行业龙头、温州信泰集团董事长胡福林等.

2.4 码头

该平台在码头舾装时因受到其他船舶舾装停靠的影响，可以使用的码头长度约为 180m。而平台本身长度就达到114.07m，码头可用长度较小，对平台系泊缆的布置会受到较大影响。

2.5 码头护舷

码头护舷采用型号 H1000的超级鼓型橡胶护舷，两股为一组，长度1m，单鼓压缩性能（力学特性）为受压力57.9t时压缩52.5%；受压力61.5t时压缩55.5%。

2.6 平台与驳船间护舷

采用长6m，直径2m的圆筒形充气式护舷，其单组最大反力为1766kN，在平台与驳船间共设置4组。

2.7 常规系泊环境条件

码头设计高水位为4.13m，设计低水位为0m。计算中采用3m的水位。

根据码头环境条件的统计数据，平台正常舾装时，可能遭遇的最大风速为 10级阵风，取其上限，即28.4m/s，最大流速3kn，为1.543m/s，具体风、流环境条件组合如表3所示，其作用方向见图2。

表3 风流组合条件

图1 系泊缆刚度曲线

图2 环境载荷作用方向定义

3 计算方法

3.1 风载荷计算

采用模块法计算平台的风载荷。将平台离散成不同的标准构件模块，叠加各组成构件的载荷获得总载荷。

平台的总风载荷为：

其中，第i个单个构件的受力为：

式中，ρa——空气密度；

A——受风面积；

Ci——载荷系数，是风向角以及平台位置状态的函数；

Cqi——影响修正系数，计及了风场的影响、构件间的相互影响等。

采用荷兰MARIN研究所开发的计算软件DPSEMI，对平台水面以上的主要模块进行离散，根据各模块载荷特性确定 Ci和 Cqi，然后叠加个模块载荷，得到平台总风载荷。风载计算模型示意图见图3，计算出的风载荷系数如图4所示。

图3 风载计算模型

图4 风阻力系数

3.2 流载荷

对半潜式平台水下部分，使用CFD的方法计算平台的横向流载荷和纵向流载荷。

对于不可压缩流体，其连续性方程和Navier-Stokes方程分别为：

式中： ui——速度分量；

Fi——质量力分量，(i = 1 ,2,3)；

ρ——压力；

ν——运动粘性系数。对方程(3)、(4)进行雷诺平均，消除所有的高阶小量，得到RANS方程：

采用kε-模型，应用有限体积法，根据上述方程组，通过数值计算可得到平台水下部分的流载荷。计算结果如表4所示。

3.3 系泊缆模拟

对于具有变刚度特性的尼龙系泊缆，使用集中质量法进行模拟，即将一根系泊缆分成若干段单元，每段看作轻质短棒，段与段之间采用一个带质量的节点连接。短棒上模拟系泊缆轴向的性质，而其他作用力则都集中于节点上。

系泊缆的张力值与其刚度特性相关，可用下式表示它们之间的关系：

表4 流阻力系数

式中：eT——有效张力；

3.4 护舷模拟

对于橡胶护舷，一般具有非线性刚度曲线。对其采用线性化处理，将护舷达到某一反力前的刚度曲线看作线性的，并忽略其受力面积的影响。对于码头护舷，对其达到最大反力值之前看作线性刚度，其刚度为2400kN/m；对于半潜式平台和驳船间的护舷，对其达到最大反力值的60%前看作线性，其刚度为1060kN/m。

4 抗台风系泊方案

4.1 多浮体混合带缆系泊系统

为增强系泊方案抵御恶劣环境的能力，结合平台与码头系缆桩布置的实际情况，利用平台立柱上的锚链导缆孔，在平台与码头间增设 Dyneema系泊缆。Dyneema系泊缆是一种强度和延伸率与钢丝绳类似，但重量只有钢丝绳 1/7的高性能系泊缆，能在保证高强度的前提下提高系泊缆的操作性。半潜式平台、浮箱、驳船和码头由钢丝绳、尼龙缆和高强度尼龙缆相连接，构成多浮体混合带缆系泊系统。

考虑到平台与码头上系缆桩数目以及布置的实际情况，增设Dyneema系泊缆后的码头系泊布置图，包括钢丝绳编号和Dyneema系泊缆编号，如图5~7所示。

图5 多浮体混合带缆系泊系统计算效果图

图6 增设Dyneema系泊缆后3600t甲板驳系泊方案

图7 增设Dyneema系泊缆后3600t甲板驳系泊方案

4.2 计算结果

分析中使用的环境条件为台风工况：风速12级，36.9m/s，流速3kn，1.543m/s。针对平台的运动以及受力较大的钢丝绳和Dyneema系泊缆，计算结果如表5所示。计算结果表明，系泊方案可满足台风状态下的系泊系统安全要求。

表5 主要静态计算结果

表5 主要静态计算结果（续）

5 结 语

本文以某深水半潜式钻井平台的码头系泊系统为例，进行抗台风系泊计算分析，建立了多浮体混合带缆系泊系统，得到了可用于实际施工的工程解决方案。经计算及实际工程项目检验，多浮体混合带缆系泊系统可满足台风状态下的平台系泊安全要求。

[1] 向 溢，谭家华. 码头系泊缆绳张力的蒙特卡洛算法[J]. 上海交通大学学报，2001，35(4): 548-551.

[2] 杨 启，李 臻. 基于模矢搜索的船舶系泊评价函数[J]. 上海交通大学学报，2007，41(2): 221-226.

[3] 邹志利，张日向，张宁川，等. 风浪流作用下系泊船系缆力和碰撞力的数值模拟[J]. 中国海洋平台，2002，17(2): 22- 27.

[4] 陈 刚，吴晓源. 深水半潜式钻井平台的设计和建造[J]. 上海造船，2012, (1): 9-14.