極端載荷下半潛式平臺系泊方法及性能對比

閆宏生， 高率群， 李懷亮， 于文太， 孟祥偉

(1. 天津大學 建筑工程學院， 天津 300072；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

近年來，隨著海洋油氣資源的勘探開發(fā)逐漸從近海走向深海，海洋平臺需要進入海況更惡劣的深海進行工作，這對其系泊系統(tǒng)的特性提出更高的要求[1-2]。海洋平臺大多采用懸鏈線式和張緊式布置的系泊系統(tǒng)[3]。與在淺海應用較為廣泛的懸鏈線式系泊系統(tǒng)相比，張緊式系泊系統(tǒng)更適于深海作業(yè)，且考慮到海洋環(huán)境的復雜多變性，平臺在深海中系泊時可能會遭受某些極端載荷，導致部分系泊纜發(fā)生斷裂[4]，對2種系泊方式下系泊纜的完整性和破斷狀態(tài)的安全性進行深入細致的研究顯得日益迫切。

國內(nèi)外許多學者對深水海洋平臺的系泊系統(tǒng)進行大量的研究。HONG[5]采用頻域的計算方法研究張緊式系泊系統(tǒng)的動力特性，進而明確系泊纜的張力由準靜力和隨機動力兩部分構成。SMITH等[6]對對稱分布的系泊系統(tǒng)進行研究，分析各個浪向下系泊纜的不同布置角度對平臺回復力性能的影響。VECCHIO[7]研究聚酯纜的剛度模型，并提出當系泊系統(tǒng)采用輕質(zhì)聚酯纖維材料時系泊性能會有較大幅度的提高。KIM等[8]采用時域分析方法以某桁架式Spar平臺為研究對象，研究平臺與系泊系統(tǒng)在耦合作用和非耦合作用兩種情況下的動力效應。FERNANDES等[9]探討聚酯纜的非線性問題，并將聚酯纜材料與普通材料進行對比，結果表明聚酯纜存在明顯的滯后現(xiàn)象。王宏偉等[10]針對某半潛式鉆井平臺, 選擇滌綸(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和高相對分子質(zhì)量聚乙烯(HMPE)等3種纖維材料的系泊纜，對其系泊系統(tǒng)進行多方案設計分析，分別討論系泊纜材料對平臺總體性能和系泊纜受力的影響。范亞麗等[11]和姜鈞喆等[12]設計多種張緊式系泊方案，并進行設計參數(shù)的敏感性分析。童波等[13]研究系泊纜完整狀態(tài)下張緊式和懸鏈線式系泊系統(tǒng)對平臺運動和動力特性的影響。余龍等[14]針對多成分錨泊線的組合優(yōu)化問題，綜合考慮錨泊線的回復力、重量與長度等因素，建立深水多成分組合的優(yōu)化模型，結合遺傳算法求解確定模型的最佳形式。朱曉洋等[15]分析張緊式系泊纜破斷時平臺的運動響應和纜繩張力的變化情況。

基于上述研究，本文以某工作水深為1 400 m的半潛式平臺為研究對象，采用時域耦合分析方法，充分考慮風浪流等環(huán)境載荷的綜合作用，比較采用張緊式與懸鏈線式系泊的半潛式平臺運動和動力響應特性，并對極端載荷作用下部分系泊纜破斷后平臺的運動響應和其余系泊纜張力的變化情況進行比較分析，為系泊系統(tǒng)的初步設計提供科學依據(jù)。

1 系泊系統(tǒng)基本特性

目前已有的海洋平臺的定位方式主要有動力定位、系泊定位和系泊-動力定位等3種[16]。其中，多點系泊定位系統(tǒng)以其成本低、可靠度高、施工方便等優(yōu)勢被廣泛應用于深水海洋平臺上，其主要方式包括張緊式系泊和懸鏈線式系泊。系泊系統(tǒng)一般通過系泊纜張力和幾何變形來抵抗平臺所受的外部環(huán)境載荷，張緊式系泊系統(tǒng)利用系泊纜的彈性伸長為平臺提供各個方向上的回復力，懸鏈線式系泊系統(tǒng)則依靠系泊纜自身的重力來實現(xiàn)對平臺的定位。

由于導纜孔處動張力過大且海底段磨損較嚴重，懸鏈線式系泊系統(tǒng)通常采用三段式結構，即只在中間段采用質(zhì)量較小、強度較低的鋼纜結構而在系泊纜兩端采用耐磨性強、伸長率低、強度高且質(zhì)量大的鋼鏈。懸鏈線式系泊系統(tǒng)在多種海底土質(zhì)中均可適用，對錨固基礎的要求較低，且設備技術簡單，安裝成本較低，廣泛應用于作業(yè)水深小于1 000 m的海洋環(huán)境。但隨著水深的不斷加深，懸鏈線式系泊纜的自身重力也在不斷增加，平臺豎向載荷的迅速加大不僅使得甲板載重量大幅減小，在一定程度上增加了對浮力的需求，降低了系泊的有效性，而且導致導纜孔處系泊纜的張力傾角變大，間接影響系泊纜的水平回復力，使得平臺的水平偏移增大。

張緊式系泊的出現(xiàn)剛好可以解決懸鏈線式系泊在深海中呈現(xiàn)的一些問題。張緊式系泊系統(tǒng)通常采用鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈三段式連接方式，由于其在水中近乎呈直線狀，在海底沒有躺地段，因此無須鋪設很長的鋼鏈，并且中間段用重量輕、強度高、耐腐蝕、抗疲勞性能佳的聚酯纜代替普通鋼纜。這不僅在一定程度上減輕平臺質(zhì)量、增大可變載荷，而且大幅減小存儲所需空間，為有效解決懸鏈線式系泊系統(tǒng)的短板問題提供可行性方案。近年來，隨著吸力錨和法向承載錨技術的逐漸成熟，張緊式系泊系統(tǒng)在深水海域得到越來越多的關注和應用。但由于聚酯纜材料機理不確定性的存在，在發(fā)生較大應變時會引起復雜的非線性問題(如滯后效應)，因此難以直接模擬聚酯纜的動力特性。在工程實際中常用基于試驗的經(jīng)驗公式獲得其彈性模量E[17]：

(1)

式中：ρ為聚酯纜的密度；Tm為平均張力；Ta為載荷幅值；P為激勵周期；α、β、γ和δ分別為相對應的系數(shù)，對于不同的纜繩，可通過試驗確定。

張緊式系泊系統(tǒng)與懸鏈線式系泊系統(tǒng)的區(qū)別如圖1和圖2所示。

圖1 張緊式系泊系統(tǒng)示例

圖2 懸鏈線式系泊系統(tǒng)示例

由圖1和圖2可知，張緊式系泊系統(tǒng)的系泊半徑和系泊纜的長度都比懸鏈線式系泊系統(tǒng)小很多。系泊半徑過大會對附近管纜的鋪設及其他平臺或船只在該區(qū)域的系泊產(chǎn)生不利影響，進而威脅系泊系統(tǒng)自身的安全；系泊纜的長度直接影響系統(tǒng)的制造成本。因此，對于深水作業(yè)的平臺來說，張緊式系泊系統(tǒng)不論在可行性還是經(jīng)濟性方面都明顯優(yōu)于懸鏈線式系泊系統(tǒng)。

2 平臺系泊系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)

2.1 平臺基本尺度

以某工作水深為1 400 m的半潛式平臺為研究對象，該平臺具有4個下浮體、4個立柱和雙層甲板，甲板以下部分基本沿中橫、中縱剖面對稱，下浮體相互貫通，內(nèi)置淡水艙，立柱內(nèi)也設置艙室，可裝壓載水和工作設備等。半潛式平臺主體視圖如圖3所示，主尺度參數(shù)如表1所示。

圖3 半潛式平臺主體視圖

表1 半潛式平臺主尺度參數(shù)

2.2 系泊系統(tǒng)模型

張緊式和懸鏈線式布置圖如圖4所示。2種系泊方式都采用4×3的組式對稱布置的方式，系泊纜間夾角為6°，具體參數(shù)如表2所示。

圖4 系泊系統(tǒng)布置圖

表2 系泊系統(tǒng)系泊纜的材料屬性

2.3 海洋環(huán)境條件

平臺的作業(yè)海域為中國南海，在系泊系統(tǒng)工程應用設計過程中，為更好地保證平臺響應的隨機性并在此基礎上對系泊方案的可行性進行校核，選取某設計工況的風浪流參數(shù)作為環(huán)境條件，波浪采用JONSWAP譜，具體參數(shù)如表3所示。

表3 目標海域的環(huán)境條件

2.4 系泊設計準則

完整狀態(tài)指在所有系泊纜都保持完好的情況下系泊系統(tǒng)及半潛式平臺正常工作所處的狀態(tài)；破斷狀態(tài)指當某根系泊纜由于某種原因斷裂或失效后系泊系統(tǒng)及半潛式平臺工作的狀態(tài)。為了防止損壞工作設備和立管等，半潛式平臺的偏移量(系泊纜最大水平偏移與水深之比)必須控制在一定的范圍內(nèi)。從系泊系統(tǒng)強度考慮，系泊纜的張力也不能過大，因此引入張力安全因數(shù)(系泊纜破斷強度與所受最大張力之比)作為安全程度的衡量標準[18]。依據(jù)API RP 2SK[19]和API RP 2SM[20]規(guī)范要求，采用動力分析方法，平臺偏移量和系泊纜張力極限的具體規(guī)定如表4所示。

表4 API RP 2SK和API RP 2SM規(guī)范的位移要求和張力極限

3 計算結果分析

3.1 完整狀態(tài)下平臺運動響應和系泊纜張力特性

理論上，當平臺受到的風、浪、流三者同向作用時，系泊系統(tǒng)產(chǎn)生最大臨界力。因此，在計算中假定風、浪、流在同一方向上，再以與x軸正方向成 0°、45°、90°等3個方向為例進行分析，具體方向如圖4所示。因篇幅有限，僅列舉90°方向環(huán)境力的統(tǒng)計結果。在該方向的環(huán)境力作用下，平臺偏移量和系泊纜動張力均達到最大值，更能說明問題。

根據(jù)系泊系統(tǒng)的設計參數(shù)，利用大型水動力軟件OrcaFlex[21]對深水半潛式平臺及其2種形式的系泊系統(tǒng)進行時域耦合動力分析。將計算時間設置為10 800 s，通過模擬可以得到平臺的運動響應和系泊纜的張力情況，進一步計算出偏移量和安全因數(shù)，具體計算結果如表5所示。圖5～圖8分別給出張緊式系泊和懸鏈線式系泊下半潛式平臺的運動(橫蕩和垂蕩)響應時歷曲線，圖9～圖12為受力較大的6號和7號聚酯纜或鋼纜的張力響應時歷曲線。

表5 2種系泊系統(tǒng)數(shù)值計算結果

圖5 張緊式系泊平臺橫蕩響應時歷曲線

圖6 懸鏈線式系泊平臺橫蕩響應時歷曲線

圖7 張緊式系泊平臺垂蕩響應時歷曲線

圖8 懸鏈線式系泊平臺垂蕩響應時歷曲線

圖9 張緊式系泊6號聚酯纜張力響應時歷曲線

圖10 懸鏈線式系泊6號鋼纜張力響應時歷曲線

圖11 張緊式系泊7號聚酯纜張力響應時歷曲線

圖12 懸鏈線式系泊7號鋼纜張力響應時歷曲線

由表5和圖5～圖12可知：與懸鏈線式系泊方式相比，采用張緊式系泊的平臺橫蕩響應大幅減小、偏移量大幅降低，說明在控制平臺的水平位移方面，張緊式系泊優(yōu)于懸鏈線式系泊。由于系泊系統(tǒng)對稱布置，平臺縱蕩運動幾乎為零。值得注意的是在張緊式系泊條件下平臺的垂蕩位移較大，這是由于張緊式系泊系統(tǒng)系泊纜的中間段采用的聚酯纜材料質(zhì)量較小，因此其在垂直方向上可提供的回復力也較小。同時，張緊式系泊的運動響應計算結果的標準差都比懸鏈線式大，在時歷響應曲線上表現(xiàn)為張緊式系泊系統(tǒng)運動響應結果的離散性較大，這是張緊式系泊系統(tǒng)材料本身的剛度非線性所導致的。

在系泊纜張力方面，雖然系泊纜頂端鋼鏈的張力大于中間段聚酯纜或鋼纜的張力，但考慮到材料本身的破斷強度與規(guī)范要求的安全因數(shù)均不同，頂端鋼鏈處于相對安全的狀態(tài)，因此選取中間段聚酯纜或鋼纜的動張力進行研究。由表5和圖5～圖12可知，在懸鏈線式系泊下，受力最大的6號系泊纜其中間段的鋼纜最大受力為11 077 kN，安全因數(shù)為1.68，略大于API規(guī)范要求的安全因數(shù)1.67。在張緊式系泊下系泊纜張力的最大值和平均值與懸鏈線式系泊相比都明顯偏小，安全因數(shù)有較大的提高，具有更高的安全性。

3.2 破斷狀態(tài)下平臺運動響應和系泊纜張力特性

平臺在系泊狀態(tài)下，偶爾會遭遇某些極端載荷(海洋生物的破壞、海洋結構物的碰撞、意外載荷的沖擊如地震等)，進而造成某根系泊纜斷裂，這種情況不僅會使部分系泊纜張力響應增大而且會對平臺的生產(chǎn)作業(yè)造成不利影響。一般來說，系泊纜的張力越大越容易斷裂。在此算例中，假設極端載荷致使張力最大的6號系泊纜發(fā)生破斷，其余環(huán)境條件均保持不變，在此前提下計算平臺的運動響應和系泊系統(tǒng)的動力響應，具體計算結果如表6所示，半潛式平臺和7號系泊纜的部分響應時歷曲線如圖13～圖18所示。

表6 6號系泊纜斷裂后2種系泊系統(tǒng)數(shù)值計算結果

圖13 6號系泊纜斷裂后張緊式系泊平臺橫蕩響應時歷曲線

圖14 6號系泊纜斷裂后懸鏈線式系泊平臺橫蕩響應時歷曲線

圖15 6號系泊纜斷裂后張緊式系泊平臺縱蕩響應時歷曲線

圖16 6號系泊纜斷裂后懸鏈線式系泊平臺縱蕩響應時歷曲線

圖17 6號系泊纜斷裂后張緊式系泊7號聚酯纜張力響應時歷曲線

圖18 6號系泊纜斷裂后懸鏈線式系泊7號鋼纜張力響應時歷曲線

由表6和圖13～圖18可知：在受力最大纜斷裂的情況下，2種系泊方式下平臺的縱蕩響應都明顯增大，在懸鏈線式系泊下平臺的縱蕩位移達21 m，這是因為受力最大的6號系泊纜在發(fā)生斷裂之后，其本身負荷的張力載荷將分布在其余系泊纜上，系泊系統(tǒng)在變得不對稱的同時也加大了平臺的水平運動。此外，當系泊纜斷裂后，懸鏈線式系泊下平臺的橫蕩接近90 m，比斷裂前增加超過20 m，嚴重影響平臺的生產(chǎn)作業(yè)，因此必須進行收放操作或緊急維修，防止系泊系統(tǒng)發(fā)生連鎖失效反應，以免造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。張緊式系泊系統(tǒng)由于自身特性，在一根纜斷裂后平臺的水平偏移未有較大幅度的增加，系泊系統(tǒng)仍能較好地控制平臺的運動，從而確保平臺在極端情況下的作業(yè)安全。

在系泊纜的張力特性方面，2種系泊方式下受力最大的系泊纜均為7號系泊纜。這是由于在90°環(huán)境力作用下，6號和7號系泊纜是迎風纜，受力大于其他系泊纜。在6號系泊纜斷裂后，7號系泊纜將成為主承力纜繩。由模擬結果可知，在1根纜斷裂后，2種系泊方式下7號聚酯纜的最大張力都有所增大，但仍在安全許可范圍內(nèi)。盡管2種系泊方式纜繩受力的總體變化趨勢相差不大，但由表6可知，張緊式系泊纜所受張力的最大值與平均值均小于懸鏈線式系泊纜。

4 結 論

以某深水半潛式平臺為研究對象，采用時域耦合的分析方法，考慮風浪流的聯(lián)合作用，建立張緊式與懸鏈線式系泊系統(tǒng)模型，并對其運動響應和動力特性進行比較分析，得出如下結論：

(1) 與懸鏈線式系泊相比，張緊式系泊具有更適宜的系泊半徑，可以承受更大的垂向力，并且系泊纜的長度明顯減小，制造成本大幅降低。在系泊纜完好時，張緊式系泊系統(tǒng)具有更優(yōu)秀的系泊性能，不僅能更好地控制平臺的水平偏移，而且具有更小的系泊張力。

(2) 張緊式系泊系統(tǒng)的非線性程度較大，運動響應結果比較離散，因此仍需對其相關的材料機理特性進行更為全面的探索。并且聚酯纜本身重力較小，其提供的垂向力也小，導致平臺的垂蕩運動幅度在張緊式系泊下有所增加。

(3) 在極端載荷致使受力最大的系泊纜破斷的情況下，懸鏈線式系泊下平臺的橫蕩運動在增加近90 m的同時，因平臺系泊系統(tǒng)對稱性的喪失，其縱蕩運動也大幅增加；張緊式系泊下平臺的水平偏移相對較小，且系泊纜張力的最大值和平均值也明顯小于懸鏈線式系泊。由此證明，張緊式系泊系統(tǒng)具有更好的系泊性能。