台风条件下自升式平台码头系泊缆绳破断分析

张 健,连建鲁,袁洪涛,刘海冬

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院 镇江 212003) (2.威海海洋职业学院船舶工程系 威海 264300) (3.上海外高桥造船有限公司,上海200137)

自升式海洋平台在码头进行建造、舾装、维修期间,通常不做插桩,平台主体漂浮在水中.此外,由于自升式平台码头舾装周期较长,在我国部分地区不可避免地经历台风期,因此,需要对平台进行抗台风码头系泊．由于自升式平台与普通船舶在外形、结构、重心等方面均有很明显区别,需要对其设计特定的码头系泊方案[1-2]．目前国内外对自升式平台在离岸作业状态下的缆绳张力和锁紧机构性能进行了一些分析研究,如采用数值计算的方法,考虑风浪流的综合作用,获得系泊平台在多种工况下缆绳张力的变化规律;对平台在风暴自存状态下锁紧机构承载性能和预压载性能进行校核;研究了系缆的超谐动张力分量对于缆索疲劳累积损伤的影响等．但均未涉及自升式平台在台风作用下码头系泊缆绳破断分析,尤其是未对平台与码头之间垫靠驳船的码头系泊方式进行深入探讨．总体而言,国内外对于自升式平台抗台风码头系泊缆绳破断力的研究还很缺乏,相关研究主要集中在文献[3-5]中．文中针对台风风速、海流流速远大于预期、极有可能造成码头系泊系统缆绳破断的情况进行分析计算．采用平台与码头之间垫靠驳船的码头系泊方式,找出恶劣环境载荷下的危险工况,并分析此工况下缆绳破断规律和剩余缆绳受力,提出系泊方案加强建议,为提高自升式平台码头抗台风系泊安全性能提供参考．

1 自升式平台码头系泊系统

1.1 平台参数及系泊方案

以外高桥造船集团建造的JU2000E型自升式平台码头系泊系统为研究对象,平台主要参数见表1．为减少平台与码头之间的直接碰撞,在平台与码头之间放置方形驳船用于靠泊,驳船排水量为1 013 t．驳船的主要作用为海洋平台提供一个弹性基础,因此驳船被良好地与码头进行连接,位移自由度均被约束,其运动影响对海洋平台的系泊无不良影响及干扰．

表1 自升式钻井平台主尺度参数Table 1 Main dimension parameters of jack up platform

系泊缆绳可以有效限制海洋结构物的六自由度运动,防止结构物因为大幅运动发生碰撞及漂移事故从而造成结构损坏．考虑抗台风的因素，设置2种系泊方案,分别应对不同级别的台风,平时码头作业及应对普通台风时应用普通系泊方案;当遇到超强台风,除了对平台进行缆绳系泊外,同时对平台实施预抛锚．普通系泊方案及预抛锚系泊方案如图1、2．

图1 平台普通系泊方案Fig.1 Normal mooring scheme of platform

图2 平台预抛锚系泊方案Fig.2 Anchor mooring scheme of platform

图1、2中自升式平台和码头之间缆绳编号为1～13,平台和靠泊驳船之间缆绳编号为A～D,锚链编号为anchor 1～6．预抛锚方案中锚链水底部分插桩固定．

1.2 平台系泊系统坐标系

考虑平台多自由度运动,综合风浪流方向、平台和码头的相对位置,建立坐标系(图3).

图3 自升式平台系泊系统坐标系Fig.3 Mooring system of jack up platform coordinate system

如图3,OXY为大地坐标系,平台舷侧与靠泊驳船平行,中间垫靠橡胶碰垫,风、浪、流方向朝向平台(图中为180°)．o1x1y1是平台随体坐标系,与大地坐标系夹角为30°．平台坐标原点位于平台基线中心处．驳船的坐标系(o2x2y2)与大地坐标系平行,坐标原点设置于驳船几何中心，文中总体坐标系均为大地坐标系．

1.3 平台系泊风、流载荷系数

根据OCIMF风、流载荷计算公式[6],运用计算流体力学CFD软件Fine/Marine计算纵荡、横荡、艏揺的风压载荷,计算公式为:

(1)

式中：Asurge、Asway、Ayaw分别为纵荡面积、横荡面积、艏揺面积力矩；Csurge、Csway、Cyaw分别为对应的载荷系数．

计算过程中采用简化的风载荷数值模型,取桁架桩腿每侧实际投影面积的30%[7],将桩腿截面等效为正三角柱体[8],井架等效为长方体．得出风、流载荷系数如图4、5.

图4 风载荷系数Fig.4 Wind load coefficient

图5 流载荷系数Fig.5 Fluid load coefficient

2 缆绳破断计算分析

2.1 缆绳受力计算理论

系泊缆绳的模拟理论模型主要有3种[9]：① 悬链线模型；② 短棒模型；③ 集中质量模型．文中选用系泊专业软件Orcaflex对平台系泊过程中缆绳力的变化情况进行分析,该软件原理为集中质量法,此方法效率高,适用范围广,可以适用于非线性、震荡流体、不均匀缆绳、不平衡状况．该方法的数学模型为:

(2)

2.2 浪高对系泊性能的影响

自升式码头系泊时,波浪会增大平台的运动响应,一定程度上提高缆绳受力．在离岸风的情况下,风从平台陆地一侧吹来,波浪作用并不明显,而沿岸风对系泊缆绳影响最大[10]．文中仅考虑沿岸风(风向β=0，β=180°)对系泊缆绳的受力影响,以及垂直靠岸风(β=-90°)对护舷的挤压作用．此处波浪采用非线性Dean Stream波,该波形适用于各种水深,具有较强的代表性[11]．流速方向为0,风速方向和波浪方向相同,取β=0、β=180°．波浪高度取0～3 m，具体计算工况如表2．

表2 波浪计算工况Table 2 Calculate classification of wave

图6～8为4种工况下(风浪同向)风向和浪向分别为0、180°时的缆绳受力和平台运动,以及90°时的护舷受力情况．

如图6，在风、浪方向为0、180°时,随着波浪高度的增加大部分缆绳受力值增加,最大增加幅度为10%．如图7,平台纵荡、艏摇也随波浪高度增加而增加,增加幅度大于缆绳张力增加幅度．平台横荡发生小幅度降低,这和波浪高度变化引起的缆绳伸长有关,使得平台压缩护舷的程度减小,从而使横荡幅度降低．从图8可以看出,波浪垂直冲击自升式平台,会增加护舷的受力,随波高增加,护舷受力增加,近似呈线性，最大增幅为10%左右．平台波浪载荷相对于风载荷所占比例较小,对码头系泊影响较小．

图6 在不同风浪方向下各工况缆绳受力Fig.6 In the working condition of the cable force under different wind directions

图7 在不同风浪方向下各工况平台运动Fig.7 Working platform movement under different wind directions

图8 在风浪载荷方向为90°时各工况护舷受力情况Fig.8 Each fender stress distribution under about 90 ° in the direction of wind load working condition

2.3 缆绳破断计算工况设定

在台风作用下,平台系泊缆受力最大风向为60°、150°离岸风[12];平台运动幅度最大风向为0、180°沿岸风,缆绳最大受力仅次于150°；3组缆绳line 4、9、12、D受力为相应位置最大值．风向力0、60°时流载荷方向和波浪方向均取0．同理风向150°、180°时流载荷方向和波浪方向均取180°．可以使平台缆绳承受最大受力,为最危险工况．波浪取最大的3 m波高用以模拟极限工况，见表3、4．

表3 方向定义Table 3 Define the direction (°)

表4 计算工况Table 4 Working condition of calculation

由于缆绳、锚链的极限承载力分别为1 220、1 920 kN．因此,普通系泊方案(只系缆绳不抛锚)下平台最大可承受28.4 m/s的风速,而工况1～4为36 m/s的台风,因此缆绳会发生破断．而预抛锚方案只能抵御最大36 m/s的台风,而工况5～8台风风速51.5 m/s,流速波高增加,因此缆绳及锚链均会发生破断．需要指出的是,不同规格的锚链及缆绳,所产生的破断力会有所不同,但文中所提供系泊缆绳及锚链破断力的计算方法对于同类型的系泊计算具有借鉴性．

2.4 缆绳破断顺序分析

在强台风作用下,不同的风浪流方向会导致系泊缆绳破断的位置不同,且破断具有一定的顺序[13]，文中总结各工况的缆绳破断情况,并分析其破断规律．

图9、10分别为普通系泊方案和预抛锚系泊方案下不同风向的缆绳破断顺序示意．箭头指向为缆绳破断顺序,每个风向标注了依次破断的4根缆绳．

图9 普通系泊方案不同风向缆绳破断顺序Fig.9 Ordinary mooring scheme cable breakage order in different wind

图10 抛锚系泊方案不同风向缆绳破断顺序Fig.10 Anchor mooring scheme cable breakage order in different wind

表5、6列出了8种工况下,分别按照缆绳破断力大小及破断缆绳的长度为依据的缆绳破断顺序,表中破断力为前一根缆绳破断后该根缆绳破断前一刻所承受的最大拉力．

对表5、6的计算结果进行分析,可以得出缆绳的破断规律:① 在超强台风条件下,系泊缆绳的破断顺序具有一定的规律．系泊系统中一旦有缆绳发生破断,剩余缆绳会承受更大拉力而不断地发生破断,最终导致系泊系统失效．② 缆绳破断顺序与缆绳长度密切相关,在风浪流的来袭方向,最先破断的缆绳基本是长度最短的缆绳．表6中各工况最先破断的缆绳长度不一致,是因为各工况风向不一致,因而受力的缆绳有所区别．

表5 破断前缆绳受力Table 5 Cable force before broken kN

表6 破断缆绳长度Table 6 Cable length before broken m

3 结论

(1) 对台风作用下的自升式平台码头系泊而言,风力大于28.4 m/s时,风载荷为主要载荷,约占破断载荷的90%,波浪载荷相对于风载荷所占比例较小(小于10%),对码头系泊影响较小．

(2) 在强台风持续作用下,在风浪流袭来的主方向,最短缆绳最先发生破断,其附近缆绳会发生后续破断,后破断缆绳会承受比先破断缆绳更大的拉力,受力逐渐递增,最终导致平台系泊系统失效．

(3) 为提高系泊系统的安全性,海洋平台在码头系泊而未插桩期间,需对科学制定系泊方案,并对系泊方案进行缆绳破断分析,以校核系泊方案的可靠性及极限承载力．根据本文计算分析结果,典型自升式平台与码头连接缆绳长度在35～70 m为宜,最短不宜低于35 m,最大不宜超过80 m,且保持与码头边缘夹角在30°或60°附近,锚链长度控制在50 m左右．

(4) 提出的缆绳破断分析方法不仅适用于海洋平台,还可以对船舶、浮式风机等海洋浮式结构物在强风载荷下的系泊系统的可靠性进行评估．