近岛礁浮式平台系泊系统设计研究

2021-06-03范垂中叶永林程小明许心愿

船舶力学 2021年5期

吴波，范垂中，叶永林，程小明，许心愿，何亮

（1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2.大连船舶重工集团海洋工程有限公司，辽宁大连116039）

0 引言

海洋蕴含着丰富的油气资源和渔业资源，开发利用我国的岛礁成为经济与技术发展的重要趋势[1]。浮式结构物可以作为近岛礁的浮动基地，为我国南海的岛礁建设与资源开发提供技术基础。浮式平台布放于近岛礁海域，如图1 所示，通过栈桥与岛礁相连，具有船舶停靠、原材料装卸、人员生活等功能，这些功能对于在无基础设施的岛礁上开展工程施工极为重要；同时，浮式平台具有部署快速、使用灵活的特点。浮式平台通过系泊系统固定于近岛礁的作业海域，承受所在海域的风浪流的作用，因此其系泊系统的设计与分析是浮式平台研究的重要方面。国内外在平台系泊系统研究方面的工作，绝大多数是针对传统的悬链线式或张紧式系泊系统。

周素莲[2]针对半潜平台，采用了不同根数的布锚方案，对比分析了系泊张力与平台运动响应；陈新权[3]针对张紧式系泊系统，设计了三段式系泊缆，开展了静力特性的研究，分析了系泊缆布置对系统回复力的影响规律；范亚丽[4]以深水半潜平台为对象，采用张紧式系泊方式对平台进行系泊定位，通过数值计算证明了所设计系泊方式下平台的运动响应与系泊张力均满足规范要求；邓露等[5]针对半潜型浮式风机，设计了悬链线式系泊系统方案，采用准静态方法开展计算分析，得到预张力、预张角的变化对平台运动以及系泊张力的影响；赵晶瑞[6]以深水FDPSO 为研究对象，分别设计了悬链线式、张紧式系泊系统，应用准静态方法对系统系统的力学特性进行分析，并对比了两种系泊方式的特点；Fontaine等[7]以FPSO为研究对象，对设计的悬链线式系泊系统进行研究，为后续的系泊优化设计提供研究基础；Brindley[8]针对作业于北海的半潜式钻井平台，分析实际工程情况，通过数值计算模拟，得出的结论认为在分段式系泊系统中需选用较重的锚链，提高系泊缆破断张力；Kim 等[9]以浮式风机为研究对象，设计三点分布的悬链线式系泊系统，采用无档锚链，应用AQWA开展数值计算，研究了风机的运动响应。

对于近岛礁浮式平台的系泊系统设计，由于浅水深的影响，传统的悬链线式与张紧式系泊方案均存在局限性，生存海况下平台容易发生触底与负气隙的情况；同时，考虑到平台提供船舶停靠的功能要求，其停船一侧的布锚设计同样受到限制[9-13]。综上考虑，论文提出了一种桩柱式系泊系统设计方案，并基于三维势流理论与时域分析方法[14]，对所设计的浮式平台桩柱式系泊系统以及船舶停靠下的整个系统开展了水动力性能评估。

图1 岛礁建设用浮式平台Fig.1 Floating platform for island construction

1 平台与系泊系统模型

1.1 浮式平台参数

浮式平台设计为长方体构型，其主要参数见表1，生存工况吃水为2.5 m，作业工况吃水为3.5 m。

表1 平台主尺度Tab.1 Main dimensions of the platform

1.2 桩柱式系泊系统

浮式平台桩柱式系泊系统设计方案如图2所示。应用桩柱式系泊设计方案可以减小海床地形与浅水深条件的影响，与传统的布锚方式对船舶停靠的制约不同，桩柱式系泊系统的设计有利于平台外侧船舶的停靠[15]。

图2 平台桩柱式系泊系统模型Fig.2 Pile-post mooring system model of the floating platform

在平台近岛礁一侧布置两根直径2 m、高20 m 的钢筋混凝土桩柱；平台与桩柱之间设计安装有直径4.5 m的防碰垫，用于阻止平台向桩柱一侧的位移；同时设计有系泊缆连接平台与桩柱，采用横向与斜向两个方向的系泊缆来限制平台在横向与纵向的运动，每根桩柱与平台之间设计有12根横向系泊缆与6 根斜向系泊缆，系泊缆材料为聚酯纤维，系泊缆与防碰垫的主要参数见表2，表中D 为变形量，单位为m。

表2 系泊缆与防碰垫主要参数Tab.2 Main parameters of mooring lines and fenders

1.3 环境工况参数

浮式平台布置于近岛礁海域水深为10 m 的礁盘区域，考虑海域波浪与风的作用，由于海流的流速相对较小，研究中暂不考虑。平台生存状态与作业状态下的环境条件定义如表3所示。

表3 环境条件Tab.3 Environmental conditions

2 平台系泊系统研究

2.1 平台运动响应分析

对桩柱式系泊系统平台运动响应的计算采用时域方法进行，对每一海况开展3 h不规则波作用下的数值计算。生存海况下平台吃水为2.5 m，旁边无其它船舶停靠，来波为3 m 有义波高。图3为生存工况下，平台在不同方向风浪作用下纵荡、横荡、垂荡与横摇的时历运动响应。从浮式平台运动响应的时历曲线可见，0°风浪作用下平台的纵荡运动最大可达到2.3 m；而45°风浪作用下平台的垂荡运动相对较小，升沉的最大幅值为0.95 m；对于较为关心的90°环境力作用，平台向桩柱一侧横荡的最大值为1.41 m，而横摇的最大值可以达到13.5°。

图3 平台运动响应时历曲线Fig.3 Time history of motion response of the platform

平台在生存及作业工况下的最大运动响应统计结果见表4。对于生存工况，平台的纵荡运动在0°环境力作用下相对较大，而平台的横荡、垂荡与横摇运动则在90°风浪作用下较为突出，垂荡可达3.02 m，最大横摇角度为13.5°。对于作业工况，桩柱式系泊设计下平台的运动响应相对较小，90°风浪作用下垂荡的幅值最大为1.20 m，最大横摇响应为7.25°。

表4 平台最大运动响应统计结果Tab.4 Statistic results of maximal motion responses of the platform

从平台运动响应的角度分析，桩柱式系泊系统设计较好地避免了传统的悬链线及张紧式系泊方案在浅水深条件下所产生的平台运动难以满足栈桥连接处对运动幅度的要求问题。从数值角度分析，桩柱式系泊系统在限制平台慢漂运动的同时也约束了平台的波频响应，将平台的运动响应控制在一个相对较好的范围。

2.2 系泊系统受力特性

桩柱式系泊系统在生存工况下的受力特性分析与平台的运动响应计算同样在时域进行。图4所示为90°方向风浪作用下桩柱、防碰垫、横向系泊缆与斜向系泊缆受力的时历曲线。横向系泊缆受力为系泊点处12 根横向系泊缆受力之和，而斜向系泊缆受力为系泊点处6 根斜向系泊缆受力之和。桩柱与防碰垫主要受到方向指向桩柱的力的作用，其数值最大值分别为1 220 t与747 t。90°环境力作用下横向系泊缆张力的数值较大，最大约为1 410 t，而斜向系泊缆张力最大为79.8 t。

图4 系泊系统受力时历曲线Fig.4 Time history of the load of mooring system

桩柱式系泊系统在生存工况与无船舶停靠时作业工况下的最大受力数值的统计结果见表5。对于桩柱式系泊系统的桩柱与防碰垫，90°环境力作用下的受力数值相对较大，每根桩柱与平台间设计的12根横向系泊缆同样在90°环境力作用下张力最大，数值最大可达千吨的量级，而桩柱与平台间的6根斜向系泊缆在0°环境力下张力较大，生存海况下的数值可达447 t。

表5 桩柱式系泊系统最大受力统计结果Tab.5 Statistic results of maximal loads acting on the pile mooring system

3 船舶停靠下系统研究

3.1 作业工况参数

船舶停靠于平台的外侧，主尺度参数见表6。船舶停靠下平台桩柱式系泊系统的示意图如图5所示。平台与船舶之间通过系缆连接，同时设计有防碰垫来控制船舶向平台的运动。在船舶的前后侧分别设计有2×2的斜向系缆，平台与船舶间的系缆和防碰垫主要参数见表7。停靠船舶及平台系泊系统的响应分析在时域内进行，计算中考虑了船舶与平台之间的水动力干扰。环境条件的定义参见表3 中作业状态的环境参数，计算的风浪方向包括0°、45°、90°、135°与180°。

图5 船舶停靠下平台桩柱式系泊系统模型Fig.5 Pile-post mooring system model of the floating platform with a cargo ship

表7 平台与船舶间的系缆和防碰垫主要参数Tab.7 Main parameters of mooring lines and fenders between platform and cargo ship

3.2 系统运动响应分析

图6为平台与船舶在90°风浪作用下的横荡运动响应时历曲线。对于作业工况，90°环境力作用下平台横荡运动的最大幅值为0.86 m，而平台外侧所停靠的船舶的横荡运动响应相对偏大，其横荡运动的方向指向平台，数值最大可达2.25 m。

图6 横荡运动响应时历曲线（90o风浪作用）Fig.6 Time history of sway motion(90°)

平台与船舶在不同方向的风浪作用下作业状态的最大运动响应统计结果参见表8。分析5 个主要方向环境力作用下的运动响应数值规律，总体而言90°风浪作用下船舶及平台的运动数值偏大。90°环境力下所系泊停靠船舶的横荡、垂荡、横摇运动响应最大值分别达到2.25 m、1.10 m 和8.95°，而所对应平台的横荡、垂荡、横摇运动响应最大值分别为0.86 m、0.14 m和3.39°。

表8 平台与船舶最大运动响应统计结果Tab.8 Statistic results of maximal motion responses for platform and cargo ship

3.3 系泊系统受力特性

船舶停靠下平台系泊系统的受力特性也在时域进行，对每一工况分析3 h不规则波作用下船舶与平台系泊系统受力的数值规律。图7为90°方向风浪作用下停船防碰垫和停船系缆受力的时历曲线。横向系泊缆受力为系泊点处12 根横向系泊缆受力之和，而斜向系泊缆受力为系泊点处6 根斜向系泊缆受力之和。船舶与平台间防碰垫、系缆受力的最大值分别为392 t与325 t。

船舶停靠下整个系泊系统在不同方向的风浪作用下作业状态的最大受力数值统计结果见表9。考虑了作业时平台外侧船舶停靠的复杂状态，对于桩柱式系泊系统，桩柱、防碰垫与横向系泊缆受力的最大值出现在90°环境力作用时，最大值分别达到了1 000 t、683 t和998 t，而斜向系泊缆在45°环境力作用时较大，数值约为175 t。同样，分析船舶与平台间所设计的防碰垫和系缆，其受力在45°和90°的风浪作用下数值较大，对于所研究的5 个风浪方向，停船防碰垫与系缆受力的数值均在百吨的量级，最大可达1 000 t。