张力腿平台码头舾装阶段系泊系统设计

2018-09-11李金来梁艳霞

中国海洋平台 2018年4期

李金来，梁艳霞

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)

0 引言

张力腿平台(Tension Leg Platform，TLP)作为一种较为新型的海洋平台结构，其最早的工程使用可追溯至1984年(HUTTON平台)。在2000年以前，海洋工程界对于TLP的研究大多采用基础理论的方法，张智等[1]对20世纪90年代后的TLP发展状况进行归纳，给出当时部分TLP的详细数据。2000年以后，随着TLP的基础理论逐渐成熟、结构型式基本固定，海洋工程界开始将热点逐步转向对TLP动力性能、系泊方法等具体问题的设计与优化工作。JAIN[2]根据一阶波浪力分析TLP的动态响应，考虑平台在规则波浪力下六自由度的耦合运动。CHANDRASEKARAN等[3-4]在JAIN的研究基础上，采用类似的计算方法，进一步研究三边型TLP在不规则波中的运动响应情况以及不同浪向角对三边型和四边型TLP运动的影响。TABESHPOUR等[5]采于PM波浪谱模拟随机波，考虑随机波以任意浪向角作用在结构上的情况，在时域和频域中对TLP进行非线性动态分析。李飒等[6]归纳当前TLP锚泊系统和锚固基础的发展情况。杨雄文等[7]论述TLP的结构型式并对其总体性能进行分析。崔娜等[8]运用全耦合分析HARP软件，对某传统TLP及其系泊系统进行时域耦合分析，确定其在不同环境载荷下的运动响应及张力筋腱的受力情况；并校核在系泊系统损坏条件下，平台的运动响应及筋腱强度是否满足规范要求。谷家扬等[9]基于数值模拟和模型试验方法，对随机波浪中TLP的耦合运动及系泊系统特性进行研究，得出的结论是：在较低海况时，考虑浪和流时的张力腿与不考虑流的情况差距不大；在较高海况时，流的影响不可忽略，考虑流的张力腿变化幅度要略大于不考虑流的情况。

目前国内外对于TLP在运营状态下的动力性能研究已经较广泛和成熟，但对于TLP码头系泊的研究目前公开发表的文献较少。事实上，TLP的码头系泊与其他大型船舶或海洋结构物有相似之处，但又存在较大差异，主要为系泊方案、系泊力的计算、系泊应急预案的编制等差异。本文主要针对上述问题展开研究。

1 系泊方案设计

图1 L型码头系泊方案

TLP具有平台的共同特性，即具有较小的长宽比。但是又具有不同于其他平台的特殊性，如突出的立柱，立柱上设置有突出的张紧器等。TLP码头的系泊方案应当充分考虑上述特殊性，并遵循以下原则：(1)系泊缆应尽量关于平台对称布置；(2)横缆应尽量垂直于平台的中纵剖面，且尽量接近舷侧；(3)倒缆应尽量与平台的中纵剖面平行；(4)尽量减少系泊缆的垂向角度；(5)所有系泊缆应尽可能采用相同材料且直径相同；(6)应保持相同功能的缆绳粗细和材料相同；(7)应尽量使具有相同功能的系泊缆长度一致，以使得较短的系泊缆能吸收更多载荷。此外，由于TLP上部模块的水平范围大于浮体的范围，因此系泊时应在平台与码头之间设置浮箱。浮箱一方面可以起缓冲作用，另一方面可以保证TLP的系泊安全。

本文重点研究深水TLP的系泊问题。平台的主尺度为：立柱间距54.5 m，立柱直径17.8 m，立柱高度46.2 m，浮箱宽度9.07 m，浮箱高度7 m，上部模块甲板尺寸61.4 m×56.1 m，上部模块甲板型深8 m。L型码头系泊是海洋平台舾装系泊的常用方法。按照上述原则，设计深水TLP在L型码头的系泊方案，如图1所示。系泊方案中采用11根缆绳，其中1#、6#～11# 等7根缆绳用于固定码头与平台，2#与3#用于固定浮箱与平台，4#与5#也用于固定浮箱与平台。

2 环境载荷

系泊中需要考虑风、流和波浪载荷，环境载荷参数需要根据舾装码头的水文气象资料选取。

2.1 风载荷计算

风载荷以最恶劣的侧面受风状态计算：

(1)

式中：Ka为系数，横向系数取Ka=0.073 5，纵向系数取Ka=0.042 9；Aa为水线以上风压方向投影面积；Va为相对风速。

2.2 流载荷计算

前后方向流载荷为

RwL=9.81×0.121 2Aw[(Vw+Vs)2+0.330(Vw+Vs)]×10-3

(2)

式中：Aw为平台的浸水面积；Vw为潮流速度；Vs为平台移动速度。

2.3 波浪载荷计算

基于势流理论基本假设计算TLP系泊的波浪载荷。一阶速度势的控制方程和定解条件：

控制方程为

2φ(x,y,z,t)=0

(3)

自由面条件为

(4)

式中：g为重力加速度。

物面条件为

(5)

式中：S为物体的外表面；n为物面外法向单位矢量；Un为物体的运动速度。

底部条件为

(6)

式中：H为水深。

应用叠加原理，总的速度势可表达为

φ(x,y,z,t)=φI(x,y,z,t)+φD(x,y,z,t)+φR(x,y,z,t)

(7)

图2 TLP的边界元模型

式中：φI为入射势；φD为绕射势；φR为辐射势。

本文采用AQWA软件求解上述问题。在AQWA软件中，速度势的求解采用边界元法。基于线性波理论对平台的性能进行分析，仅需考虑平台在静水面以下的部分。为保证计算精度，网格尺寸应不大于环境载荷最小波长的1/7，但过小的网格尺寸会显著增加计算量，降低计算速度。综合考虑精度与效率问题，本文将网格尺寸取1 200 mm。TLP三维边界元模型如图2所示。

2.4 频域分析

分别计算平台的力、速度、加速度等的幅值响应算子(Response Amplitude Operator，RAO)，如图3所示。根据频域的计算结果，可以得到不同海浪频率下的波高分布图。频率0.349 rad/s、方向-180°的波高分布如图4所示。

图3 横荡运动幅值响应算子图4 频域数值模拟频率0.349 rad/s、方向-180°的波高分布

由图4可以看出：在-180°浪向下，响应函数RAO在横荡方向上随着频率变化较大，波高的最大值为1.74 m，得到有义波高在1.0 m附近。在AQWA软件中，得到TLP在6个自由度上的总体运动响应，为时域计算中缆绳拉力的计算提供数据。

2.5 环境参数的选择

图5 10#缆绳受力时域分析

针对本项目研究的深水TLP，环境载荷的选取见表1。根据表1的参数，分别计算风载荷、流载荷和波浪载荷，用于系泊分析。

表1 TLP系泊载荷环境

3 时域分析

3.1 时域分析方法

将频域计算得出的TLP附加质量、阻尼系数、波浪激励力以及每个波长、每个波浪方向上的漂移力输入AQWA-DRIFT模块，计算平台在较长时间内在给定波浪谱的随机波条件下的慢漂运动响应。同时，在模型中建立平台系泊点和码头系泊点，将缆绳布置方案计入计算模型，对各缆绳的系缆力进行计算，分析各缆绳的系泊力。

3.2 深水半潜式钻井平台缆绳最大拉力分析

采用时域分析方法，可以得到各缆绳的最大拉力。在图1所示系泊方案下，10#缆绳的受力时域曲线如图5所示，可以看出：在恶劣条件下，缆绳最大拉力达到1 134 kN，平稳阶段缆绳的最大拉力平均为330 kN，可为缆绳的选择提供依据。

绘制图1所示方案中11根缆绳的拉力时域分布曲线，从中得到平稳状态下缆绳的最大拉力值，见表2。经校核，各缆绳的最大拉力均小于破断拉力的50%，系泊方案满足强度要求。

表2 平稳阶段各缆绳的最大拉力 kN

4 应急预案的准备

在平台码头系泊完成后，必须保证一天24 h对船坞、系泊缆绳进行监护。对于系缆绳穿过导索孔的部分，要特别注意，随时关注任何损耗迹象的发生。尽量保证所有系泊缆绳一直保持相同的拉力。如果港区潮差较大，落潮时系泊缆绳会变松弛，涨潮时缆绳又变紧，因此要对缆绳力进行细微的调整。

当风力超过8级(风速大于17.2 m/s)时，需专人24 h额外看护；当风力等于或者大于10级(风速大于24.5 m/s)时，应启动系泊安全应急响应预案。考虑到平台码头系泊的具体情况，应急预案的准备如下：(1)在已有浮箱两侧增加浮箱靠球，保证平台在与码头的相对运动中，不损伤码头和平台；(2)所有的缆绳和登船设施都要仔细进行检测以确定是否有损坏。如果有损坏，必须立即采取增补缆绳的措施进行补救；(3)在已有系缆索基础上，增加缆绳，使得每个系泊点都是同规格双缆，且张紧度相同；(4)TLP紧急打压载水，让平台迅速下沉降低高度；(5)连接平台水下部分和码头水底；(6)平台上所有施工人员和工作人员撤离；(7)拆除平台中较高的结构物，并将平台较高结构物与码头用缆绳连接；(8)将平台上部模块4个方向用缆绳固定，并将缆绳固定于码头吊机的吊钩上，升高吊钩使缆绳预张紧。