半潜式平台系泊系统失效模式下动力响应分析

袁 杨， 汪学锋， 张嫦利

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

半潜式平台系泊系统失效模式下动力响应分析

袁 杨， 汪学锋， 张嫦利

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

该文采用时域分析方法，分析了平台在系泊完好时和受力最大的锚链断裂情况下的运动响应，并参照生存状况下的操作放松未破损锚链，以减小平台系泊系统的受力。分析结果表明，平台在受力最大的锚链断裂情况下，放松其余锚链能有效减小锚链张力，该文的分析可为工程实践提供参考。

系泊系统；半潜式平台；优化

0 引言

半潜式钻井平台是从坐底式钻井平台的概念发展而来的[1]，半潜式平台用数量较少的大直径立柱替代了坐底式钻井平台数量较多的小直径立柱，并且将沉垫变成了鱼雷型下浮体，这有利于系泊或拖航时减少阻力[2]。

半潜式平台需要在固定的海域进行作业，一般采用动力定位系统或系泊系统两种方式在海上进行定位[3]。系泊系统是浮式结构物非常重要的定位方式，主要特点包括成本低、维修使用方便等。系泊系统与半潜式平台组成的耦合系统在外界环境下的动力响应直接影响了平台的使用寿命以及海上的正常作业，因此，分析平台与系泊系统之间的相互作用和耦合影响具有十分重要的意义。

海上超大型浮体是随着船舶和海洋工程发展而产生的一种新型结构形式。在超大型浮体布置的重要海域，台风频繁，恶劣的外界环境使系泊系统的安全性受到巨大的考验，系泊系统的失效将会给平台的安全工作带来严重的后果。引发系泊失效的常见问题有：磨损、腐蚀、疲劳、强度不足等[4]。

该文采用时域模拟的方法，对一半潜式平台及其系泊系统组成的耦合系统进行了动力分析，并假设系泊系统中受力最大的一根系泊缆发生断裂，模拟了此情况下整个系统的动力响应。在系泊失效的情况下，更加关心的是其余完好的系泊缆的受力情况，避免其余系泊缆再发生断裂，造成更大的危险。参照系泊系统在生存海况下减小预张力的做法，在一根系缆断裂的情况下，放松其余完好系缆，发现能有效地减小这些缆绳的张力。该研究为超大型浮体在恶劣环境条件下系泊发生断裂时的系泊系统安全性研究打下了基础。

1 数值计算方法

1.1 系泊计算模型

图1 细长杆模型

合理的系泊缆数值模型是系泊分析的第一步，目前主要有三种数值模型[5]：基于解析法计算的悬链线模型；以多体动力学理论为基础的集中质量-弹簧模型，也就是集中质量法；另外一种是细长杆模型。第一种模型主要解决系泊缆静态计算，后两种模型主要用于动力计算。该文应用的是由DNV开发的时域计算软件DeepC，该软件采用的是细长杆模型。

细长杆模型首先由Garret[6]提出，假设杆具有弹性和任意几何形状[7]，细长杆可以承受水下各种载荷和拉力。载荷q包括由于杆运动和周围流体运动引起的水动力和自身重力，细长杆模型考虑了构件伸长变形以及弯曲，细长杆模型如图1所示。。

细长杆模型系泊缆运动方程：

(Br″)″′)′|N(vf-v)|]+g|ρfAh-ω|

控制方程：

r′·r″

1.2 时域耦合模拟

根据三维势流理论可以计算得到频域下半潜平台的附加质量、阻尼系数、幅值响应函数(RAO)等水动力参数。基于卡明斯[8]理论，结合计算得到的水动力参数数据库，通过频域转时域的方法，建立时域模拟的运动方程来模拟平台的运动历程。

半潜平台的运动方程可以写为:

式中：M为平台的质量矩阵；μ为附加质量矩阵；K(t-τ)为平台的延迟函数矩阵；C为水动力回复力矩阵；Fwave(1)、Fwave(2)、Fwind、Fcurrent、Fmoor分别为一阶波浪力、二阶波浪慢漂力、风载荷、流载荷和系泊力。

波浪载荷可根据计算出的所有频率浪向下的波浪力，采用卡明斯脉冲响应的做法，应用Fourier变换得到。

风载荷和流载荷均可由风力系数和流力系数求得，两者过程相似，以求解风载荷为例，风载荷的计算方法如下：

式中：Fwina，Mwina分别为平台所受的风力与力矩；Cm为风力系数，可以通过实测、试验或计算得到；ρa为空气密度，计算流载荷时需用海水密度；A为平台在风力方向上的投影面积；U为风相对于平台运动的相对风速；L为力作用点到平台重心的距离。

2 平台系泊系统与环境参数

半潜式平台的工作水深为1 500m，平台的水下部分结构形式如图2所示，平台质量为52 509t，吃水19m，重心的垂向高度为25.84m。浮体的尺寸为109.44m×17.92m×10.24m(长×宽×高)，立柱的长宽均为17.92m，高20.26m。惯性半径纵向为32.8m，横向为33.2m，垂向为37.8m。

系泊系统采用8根相同的缆绳对称布置，同一象限内的两根系泊缆将该象限三等分，彼此间夹角为30°，布置方式如图3所示，环境力方向为180°浪向角。每根系泊缆由钢链—聚酯缆—钢链三部分组成，每根系泊缆的具体参数见表1。

表1 系泊缆参数

图2 半潜平台湿表面模型 图3 系泊布置平面图

在数值计算中，风浪流环境条件如下：波浪谱选用JONSWAP谱，有义波高8.7 m，谱峰周期12.3 s，谱峰因子取2.0；流为均匀流，流速0.73 m/s；参考水面以上10 m处，平均风速为24.3 m/s；风浪流同向，均为180°方向。在计算中，将JONSWAP波浪谱转换成了3小时的一个波浪时历，所有算例均采用此波浪时历，图4为该波浪的前1 000 s时历图。

图4 波浪时历图

3 计算结果分析

基于上述理论方法及平台模型，先应用HydroD软件对平台的频域主要性能进行计算，利用频域中得到的主要水动力系数，借助DeepC软件对平台和系泊系统作了动力耦合的时域分析，模拟时间为3小时。

3.1 系泊缆完好时平台的运动响应和系泊张力

首先计算了在风浪流联合作用下，系泊缆完好时的动力响应。图5为平台的纵荡时历，图6为1号缆的顶端张力时历。表2为平台运动时历的统计值，表3为系泊缆顶端张力的统计值。

图5 平台纵荡时历 图6 1号缆顶端张力

纵荡(m)横摇(°)横荡(m)纵摇(°)垂荡(m)艏摇(°)Mean-31．33-0．025-0．5060．6950．0140．017Std9．070．0210．1991．5421．2950．288Min-71．59-0．223-1．063-5．239-4．588-1．913Max-11．230．1780．1016．1145．0602．358

表3 系泊缆顶端张力

由表2可以看出，平台的纵荡较大而横荡和垂荡很小，这是由于系泊系统对称布置，并且风浪流的方向均为180°，沿x轴负方向；横摇运动较小，纵摇的平均值较小，但最大幅值也达到了6°，纵摇主要是受波浪激励的影响，另外，平台沿x轴负方向偏移后系泊系统的不对称性会产生绕y轴的力矩，这也会加大平台的纵摇；艏摇均值很小，幅值2°左右，艏摇产生的主要原因是上层建筑的不对称，造成平台受的风载荷也不对称。

表3 是8根系泊缆在风浪流环境力作用下动力响应的统计值。1、2、7、8号系泊缆是迎风缆，3、4、5、6号系泊缆是背风缆。从结果来看，迎风缆的张力明显要大于背风缆；而迎风缆中，1、8号缆的张力要大于2、7号缆，1号缆和8号缆由于对称受力相差不大，平均张力为313t，幅值为428t。

3.2 缆绳断裂时平台的运动响应和系泊张力

一般情况下，缆绳张力越大，系泊缆越危险，越容易发生断裂。在风浪流方向为180°的情况下，1号和8号缆绳的张力最大。在此算例中，假设张力最大的1号缆绳发生断裂，其余环境条件均不变，在该假设下，计算了平台和系泊系统的动力响应。表4和表5分别为断裂情况下平台运动时历的统计值和系泊张力的统计值。

表4 平台运动时历统计值

表5 系泊缆顶端张力

由表4可以看出，平台的垂荡仍然很小，而纵荡和横荡比较大。相比于系泊完好情况下的运动，纵荡的均值增加了一倍，而横荡均值从-0.506 m增加到了20.04 m，这是由于1号系泊缆断裂后，系泊系统变得不对称，使得平台发生纵荡的同时也产生了较大的横荡运动。横摇和纵摇比较小，但艏摇运动较大，这也是系泊系统的不对称性造成的。

1号缆绳断裂的情况下，系泊系统系缆张力均值的最大值出现在2号缆上，最大值为386 t，幅值的最大值则是在8号缆上，最大值为515 t。同样迎风缆的张力要比背风缆大，且差距变得更大。

3.3 松弛缆绳后平台的运动响应和系泊张力

在极限海况下，为保证平台及系泊系统的安全，一般采用松弛系泊缆降低预张力的做法。参照此做法，在系泊缆发生断裂的情况下，也采取了松弛系泊缆的方法，在该算例中，将未断裂的7个系缆均放松了20 m，即上端钢缆延长为150 m，环境条件不变，时域计算结果的统计值见表6、表7。

表6 平台运动时历统计值

表7 系泊缆顶端张力

放松系泊缆后，平台的运动响应和未采取措施时的响应相差不大，纵荡的幅度略有增加，而横荡幅度有所减小，艏摇则相对未放松时更加剧烈。

系泊缆张力相比之前有明显减小，张力平均值最大减小了62.2 t。张力平均值的最大值仍然产生于2号缆绳上，幅值的最大值也仍然在1号缆绳上。

3.4 结果比较分析

从平台的运动响应来看，在系泊完好的情况下，平台主要是纵荡比较大，其余运动都很小。而在1号缆绳断裂后，平台的运动响应发生了明显的变化，纵荡变得更加剧烈，运动幅度是完好情况下的2倍，并且由于1号缆断裂后，系泊不对称，导致产生了较大的横荡和艏摇运动，横摇、纵摇、垂荡运动则仍然很小。采取放松系泊缆的措施后，平台的运动没有发生明显的变化，纵荡和艏摇的幅度稍有增加，纵荡增加了3%，艏摇增加了6%，横荡幅度则减小了4.5%，总体上放松系泊缆对1号缆断裂后平台的运动响应几乎没有影响。

系泊张力主要需要比较张力的平均值和最大值，特别是在1号系泊缆断裂的情况下，更需要避免剩下完好的系泊缆产生大的张力，造成系泊缆的再次断裂，危害平台的安全。图7和图8比较了三种情况下系泊缆张力，当1号系泊缆断裂后，迎风缆绳特别是2号和8号缆绳的张力平均值和最大值都有了明显的增加，增幅达23%，而背风缆的张力则有不同程度的减小；在放松系泊缆后，可以看出各缆绳上的张力都要比未放松之前的小，最大的张力均值和张力幅值分别出现在2号和8号缆上，将缆绳松弛20 m，能使最大张力均值减小16%，幅值减小10%，说明松弛缆绳是一种在系泊发生断裂失效情况下减小系泊张力的有效措施。

4 结论

采用时域耦合的分析方法，考虑风浪流的联合作用，对半潜式平台及其系泊系统进行了动力响应分析，可以得到以下结论：

(1) 当受力最大的一根系泊缆断裂时，会对平台的运动响应造成较大的影响，集中体现在运动响应幅度的增大；同时也造成了迎风系泊缆张力大幅度的增加，这些影响都会使平台处于危险的状况。

(2) 在受力最大的缆绳发生断裂的情况下，采取适当松弛其余缆绳的措施，该系泊系统将完好缆绳放松20 m，对平台的运动响应几乎没有影响，但可以使系泊张力减小，对平台安全有较大的好处。所以，在平台系泊系统发生系泊断裂的情况下，采取这个措施，有利于防止系泊系统发生更大的安全问题。

[1] Det Norske Veritas. SESAM user manual: DeepC theory [M] .2004.

[2] 蒋安,汪学锋,李欣.波浪作用下半潜式平台近场干涉问题的研究[J].中国海洋平台，2013，26(6): 38-44.

[3] 徐胜文.Dynamic positioning with Roll-Pitch motion control for a semi-submersible[A]. ISOPE，2013.

[4] 李鹏.失效模式研究在单点系泊系统完整性管理体系中的应用[J].资源节约与环保，2012，29(5)：116-122.

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[7] Paulling J R, Webster W C. A consistent large amplitude analysis of the coupled response of a TLP and tendon system[C]. In Proceedings of the 5th OMAE Conference，Tokyo 1986.

[8] Cummins W E. The Impulse Response Function and Ship Motions[J]. Schiffstechnik, 1962(9): 101-109.

Dynamic Analysis on the Impact of Failure Modes for a Mooring Positioning System of a Semi-submersible Platform

YUAN Yang, WANG Xue-feng, ZHANG Chang-li

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Mooring positioning system is a popular positioning system for a semi-submersible platform. The motion statistic characteristics and the tension of mooring ropes are analyzed under the condition that one mooring rope is broken as well as the mooring positioning system is complete. Furthermore, a method of loosening other mooring ropes except the broken one is introduced to improve the performance of the platform. Results show that it works effectively by loosening other mooring ropes except the broken one. The paper may be helpful to engineering practice.

mooring positioning system; semi-submersible platform; optimization

2014-08-27

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB036103)；工信部高技术船舶科研项目：浮式结构物系泊定位技术研究。

袁 杨(1990-)，男，硕士研究生。

1001-4500(2015)02-0036-06

P75

A