非对称半潜式起重平台系泊系统特性研究

刘传艺，沈 勇，潘伟宸，严兴春，胡志杨，王希坤1,

(1. 中船澄西扬州船舶有限公司，江苏 扬州 225200；2. 中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400；3. 江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

0 引 言

半潜式平台拥有优良的运动性能，在海上石油勘探、开采方面得到了广泛的应用[1 – 2]，半潜式起重支持平台在海上石油开发过程中有着不可替代的作用[3]。

本文研究新型半潜式起重平台（非对称）（见图1），与传统的半潜平台结构上有很大区别。结构关于中纵剖面非对称，2 台起重机同时安装在大浮筒一侧，双机同时作业时能有效灵活地调节起重平台与被安装平台的距离，显著提升作业效率。箱型上层单元主要是居住单元，舱室可容纳750 人[4]。平台总排水量58 206 t，主浮筒长为137.75 m，宽19.5 m，高12 m；副浮筒长为122 m，宽13.5 m，高12 m。与之相对应的，主支柱长为22.5 m，宽19.5 m，高18 m；支腿支柱长为16.5 m，宽13.5 m，高18 m。箱型上层船体总长为81 m，宽81 m，高12.8 m。平台的具体主尺度参数如表1 所示。

表1 非对称半潜式起重平台的主尺度参数Tab. 1 Main dimension parameters of asymmetric semi-submersible lifting platform

图1 非对称半潜式起重平台Fig. 1 Asymmetric semi-submersible lifting platform

半潜式平台系泊系统特性研究对于平台及系泊的结构设计和性能优化具有重要意义。因为时域迭代的方法计算时间较长，为了做到平衡精度和效率，文献[5 – 8]提出了一些有效的完全耦合计算方法。为创造更有利于平台钻井作业的外部环境，袁培银等[9]提出一种新型多浮体系泊系统，在1 500 m 水深，风、浪、流同向作用下，对平台－连接体－锚链－张力筋腱组成的多浮体结构进行完全时域耦合分析，并将新型多浮体系泊系统和传统张紧式系泊系统计算结果进行对比分析，结论充分体现新型系泊系统设计的合理性、优越性。白雪平[10]以半潜式平台为研究对象，设定了相应的规则波，模拟了该平台在规则波中的时域运动响应。其先根据锚链参数设计系泊系统，然后采用8 根和12 根不同的缆绳布置形式，研究其动力响应的差异。童波等[11]以工作水深为1 500 m 的半潜式平台为研究对象，设定了系泊缆直径、长度、预张力角度等相关变量，从而进行平台系泊系统的动态特性研究。该研究还以缆绳数量、缆绳布置角度为变量，进行了系泊系统的动力响应分析。系列研究结果表明，适当的系泊系统设计，即合适的缆绳数量、合理的缆绳布置角度，对平台的运动响应特性起到积极影响，能够提升系泊系统的动力响应性能。

影响平台及系泊性能的因素很多，如系泊缆数目、系泊缆的松弛度等，本文研究这些参数对非对称半潜式起重平台的运动响应和缆绳张力的影响规律。

1 系泊系统布置

考虑作业水深为200 m，选取悬链线式系泊方式。系泊缆经常采用放射型均匀布置，朝向各个方向，这样可以提供给平台任意角度的回复力，保证平台平稳正常作业。在系泊系统的布置上使用8 根或12 根钢缆材质的系泊缆绳，选择倾斜波浪方向中预计的较大环境负荷的系泊缆绳布局方案，如图2 和图3 所示。平台坐标系为o-xyz，原点位于平台方向。围绕平台均匀间隔对称布置，8 根系泊缆分为4 组，每组由2 根构成，每组内系泊缆夹角为45°；12 根系泊缆分为4 组，每组由3 根构成，每组内相邻系泊缆夹角为30°。

图2 8 根缆绳布置图（俯视图）Fig. 2 Layout of 8 cables (top view)

图3 12 根缆绳布置图（俯视图）Fig. 3 Layout of 12 cables (top view)

非对称半潜式起重平台进行时域仿真模拟的系泊缆参数如表2 所示。系泊缆直径76 mm，长度为1500 m，空气中系泊缆单位质量为24.7 kg/m，等效截面面积0.023 m2，轴向刚度7.0×109N，破断力为4.159×107N。

表2 非对称半潜式起重平台系泊缆属性Tab. 2 Properties of mooring lines for asymmetric semi-submersible crane platforms

2 不同数量系泊缆系泊系统运动响应和张力分析

环境载荷方向选取90°、135°、180°典型角度，此角度定义为风浪流的来向与船首（即平台坐标系x正向）所成角度，浪向角示意图如图4 所示。本文数值模拟采用不规则波Jonswap 波谱，其表达式如式（1）所示。选择北海海域的作业工况，有义波高为6 m，谱峰周期为7.78 s，γ取3.3。取定常海风与海流，速度分别为20 m/s 和1.03 m/s。计算海域深度为200 m，模拟时间为10 800 s（即3 h）。环境参数均由设计方给定，相关环境参数的设定具体见表3。

表3 海况环境参数Tab. 3 Sea condition environmental parameters

图4 非对称半潜式起重平台波浪入射角示意图Fig. 4 Schematic diagram of wave incident angle of asymmetric semi-submersible lifting platform

式中：A=1−0.287ln(γ) ，为无因次参数；γ为谱峰升高因子；σ为谱型参数，当波浪频率ω>ωP时，σ=0.09；反之，σ=0.07。

图5~图7 分别为作业海况90°、135°、180°的8 根与12 根系泊缆运动响应历时曲线及最大张力历时曲线。为了直观，选取前4 000 s 的历时曲线图。

图5 90°海况下横荡运动响应及最大系泊缆张力历时曲线Fig. 5 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 90° sea state

1）作业海况90°

图5（a）和图5（b）分别为8 根和12 根系泊缆在风浪流入射角为90°时的横荡响应时域曲线。8 根系泊横荡最大响应值为8.10 m，12 根系泊横荡最大响应值为6.96 m，最大水平偏移量分别为水深的4.05%和3.48%，均符合规范要求的小于水深10%。图5（c）和图5（d）分别为8 根和12 根系泊缆对应的最大系泊张力历时曲线。8 根系泊缆方案张力最大的是7#缆绳，最大张力值为4.04×106N，12 根系泊缆方案张力最大的是10#缆绳，最大值为3.83×106N，二者较系泊缆的断裂刚度4.159×107N 低一个数量级。可以看出，12 根系泊缆对应的平台最大水平偏移量和缆绳最大张力值皆低于8 根系泊缆。

2）作业海况135°

图6（a）和图6（b）分别为8 根和12 根系泊缆在135°海况下的纵荡响应时域曲线。8 根系泊纵荡最大响应值为8.97 m，12 根系泊纵荡最大响应值为6.23 m，最大水平偏移量分别为水深的4.49%和3.12%，和90°海况的结果接近，满足规范要求。图6（c）和图6（d）分别为8 根和12 根系泊缆的系泊张力历时曲线。8 根系泊方案张力最大的是8#缆绳，最大张力值为7.59×106N，12 根系泊方案张力最大的是11#缆绳，最大值为7.11×106N。该海况下的最大张力与90°海况相比增加约1 倍，但依旧远低于系泊缆的断裂刚度4.159×107N。与90°海况得到的结论一致，随着缆绳数目的增加，非对称半潜式起重平台纵荡最大值和系泊最大张力值皆有所减少，但该海况的危险度高于90°海况。

图6 135°海况下纵荡运动响应及最大系泊缆张力历时曲线Fig. 6 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 135° sea state

3）作业海况180°

从图7（a）和图7（b）中可以看出，在180°海况下，8 根系泊纵荡最大响应值为12.36m，12 根系泊纵荡最大响应值为10.31m，最大水平偏移量分别为6.18%和5.15%，大于90°和135°海况的结果，但依然小于规范要求的10%。图7（c）和图7（d）分别为8 根和12 根系泊缆在风浪流180°下的系泊张力历时曲线。8 根系泊方案张力最大的是8#缆绳，最大值为7.31×106N，12 根系泊缆方案张力最大的是12#缆绳，最大值为6.60×106N，略低于135°海况的结果。

图7 180°海况下纵荡运动响应及最大系泊缆张力历时曲线Fig. 7 Response of sway motion and maximum mooring line tension time curve under 180° sea state

参考API 规范[12]和ABS 规范[13]中的设计标准，对该平台的系泊系统进行安全校核，规范中要求系泊缆的最大拉伸强度的安全因子为1.67。8 根和12 根系泊缆的平台及系泊系统在作业海况下的运动特性及张力量值统计情况分别如表4 和表5 所示。

表4 8 根系泊缆计算统计结果Tab. 4 Calculation and statistical results of 8 mooring lines

表5 12 根系泊缆计算统计结果Tab. 5 Calculation and statistical results of 12 mooring lines

通过对比可以看出，缆绳的数量对平台运动和系泊缆动力响应的影响比较明显，随着缆绳数目的增加，平台偏移量和系泊缆张力响应幅值均有所降低，系泊性能越来越优良。对比8 根系泊缆方案和12 根系泊缆方案，前者对应的系泊线张力最大值为7.59×106N，安全系数为5.47；后者的张力最大值为7.11×106N,安全系数为5.84，系泊缆安全系数都大于规范要求的1.67。8 根系泊缆方案的最大水平偏移为12.36 m，为水深的6.18%；12 根系泊缆方案的最大水平偏移为10.31 m，为水深的5.15%，其最大位移都符合规范要求的小于10%水深。综上，系泊性能均满足要求，从经济性方面考虑，8 根缆系泊方式的经济性更好，系泊缆的布置也更方便。

3 悬链松弛度

研究8 根系泊缆方案下悬链松弛度对平台运动响应及系泊缆张力的影响规律。悬链松弛度是指在导缆孔及锚点坐标不变的情况下，面对相同水深，采用不同长度的系泊缆（L1～L5）。从图8 可以看到，悬链松弛度的变化可更加直观的从系泊缆与水面处交点处的切线与X轴的夹角（θ）的变化看出，也可从卧链长度(l1～l5)的变化来做出对比[14]。

图8 不同松弛度悬链示意图Fig. 8 Schematic diagram of catenary with different degrees of relaxation

随着悬链松弛度的增大，悬链与海底的夹角逐渐减小，锚链与海底接触的长度逐渐增大。为了得到悬链线松弛度对其他参数结果的影响规律，选取5 种不同松弛度的系泊缆，L1～L5 代表系泊缆的长度，h代表水深。根据系泊缆初始设定长度1 500 m，初始悬链线的松弛度为7.5，悬链线的松弛度（L/h）分别取7.0、7.25、7.5、7.75 和8.0。由于只是研究悬链线松弛度大小对非对称半潜式起重平台运动及系泊缆的受力影响规律，因此仅考虑最危险的海况，即135°海况。

对系泊缆不同松弛度的计算结果进行分析，分别选取不同悬链线松弛度对应平台运动的最大水平位移和对应系泊缆受力的最大值及平均值，然后使用专业的数据处理软件Origin 对数据进行处理获得规律曲线图，分别如图9 和图10 所示。系泊缆张力统计结果见表6。

表6 不同松弛度下的最大张力统计结果Tab. 6 Statistical results of maximum tension under different relaxation degrees

图9 不同松弛度下的平台位移Fig. 9 Platform displacement under different slack

图10 不同松弛度下的系泊缆张力Fig. 10 Mooring line tension under different slack

结合图9～图10 以及表6 可以发现：随着悬链线松弛度的增大，对应的平台位移的最大值和平均值呈现波动变化。根据图9 可以看出，松弛度为7.25 时，平台水平位移最大，达131.51 m，可能是因为平台受系泊缆约束不够，在某一时刻发生很大偏移。根据海上平台作业规范，平台最大水平位移应小于水深的10%。本文所研究的目标是非对称半潜式起重平台，作业水深为 200 m，水平位移应小于20 m。从图9 可以看出，松弛度为7.0、7.25、7.75 和8.0 的最大水平位移均大于20 m；当松弛度为7.5 时，最大水平位移为8.97 m，符合作业要求。综上，只有悬链松弛度为7.5 的系泊缆符合平台运动性能要求。

随着悬链线松弛度的增大，其对应的平台系泊缆张力的最大值和平均值逐渐减小。由表6 可以看出，5 种松弛度下受力最大系泊缆为7#和8#缆绳，这可能是因为这2 根缆绳位于135°浪向方向附近，同方向的风浪流载荷最大，受到的系泊张力也最大。松弛度为7.0 时7#缆绳的张力最大，安全系数最小，系泊缆最大值为1.69×107N，安全系数为2.47，符合规范标准要求的最低1.67。所以综合考虑运动性能和安全性，悬链松弛度为7.5 的系泊缆方案最优。

4 结 语

本文研究非对称半潜式起重平台系泊系统的特性，对可能的参数展开计算分析，主要研究参数为系泊缆数目、系泊缆悬链松弛度和海况条件。系泊系统为悬链式放射型均匀布局，作业条件为北海典型海域海况。在系泊缆数目参数中，分别对8 根和12 根系泊缆方案进行研究，比较2 种方案在3 种不同风浪流角度（90°、135°和180°）下的平台运动和系泊缆张力情况，发现在同时满足规范要求的情况下，8 根系泊缆的经济性更好。针对8 根系泊缆方案最危险的海况（135°海况），研究5 种不同的系泊缆悬链松弛度的影响，对比发现悬链松弛度为7.5 的系泊缆运动性能和安全性最好。