深水半潛式鉆井平臺碼頭抗臺風系泊計算分析

陳 剛，吳曉源

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

國內對于深水半潛式平臺的碼頭系泊問題的研究較少[4]，尚無經驗可以借鑒。本文以某深水半潛式鉆井平臺及其碼頭系泊系統為研究對象，進行風、流載荷共同作用下的抗臺風系泊計算分析，建立了多浮體混合帶纜系泊系統，為工程實際施工提供參考依據。

1 研究方法

以外高橋建造的深水半潛式鉆井平臺為研究對象，采用模塊法（building block method）計算該平臺的風載荷，將平臺離散成不同的標準構件模塊，疊加各組成構件的載荷獲得總載荷。對其水下部分，使用計算流體力學（CFD）的方法計算平臺的縱向和橫向流載荷。對于具有變剛度特性的尼龍系泊纜，使用集中質量法進行模擬。對于橡膠護舷，采用線性化處理，將護舷達到某一反力前的剛度曲線看做線性的，并忽略其受力面積的影響。對于碼頭護舷，對在達到最大反力值之前看作線性剛度；對于半潛式平臺和駁船間的護舷，對在達到最大反力值的60%前看作線性。

2 計算對象及環境條件

2.1 半潛式平臺

深水半潛式鉆井平臺的主尺度如表1所示。

表1 半潛式平臺主尺度 m

其出塢舾裝狀態如表2所示：

表2 半潛式平臺舾裝狀態主要參數

2.2 系泊駁船

在半潛式平臺與碼頭之間墊靠駁船的主尺度為：長75.6m，寬30m，型深4.5m，吃水2.4m，排水量4800t。

2.3 系泊纜

采用尼龍纜繩，其規格是八股繩索的錦綸復絲纜（polyamide multifilament），直徑112mm，線密度8.11kg/m，斷裂強度為2060kN。尼龍纜繩具有變剛度特性，其剛度曲線如圖1所示。

②2008年、2011年，浙江溫州等地區連續出現多起企業家“跑路”現象，如眼鏡行業龍頭、溫州信泰集團董事長胡福林等.

2.4 碼頭

該平臺在碼頭舾裝時因受到其他船舶舾裝停靠的影響，可以使用的碼頭長度約為 180m。而平臺本身長度就達到114.07m，碼頭可用長度較小，對平臺系泊纜的布置會受到較大影響。

2.5 碼頭護舷

碼頭護舷采用型號 H1000的超級鼓型橡膠護舷，兩股為一組，長度1m，單鼓壓縮性能（力學特性）為受壓力57.9t時壓縮52.5%；受壓力61.5t時壓縮55.5%。

2.6 平臺與駁船間護舷

采用長6m，直徑2m的圓筒形充氣式護舷，其單組最大反力為1766kN，在平臺與駁船間共設置4組。

2.7 常規系泊環境條件

碼頭設計高水位為4.13m，設計低水位為0m。計算中采用3m的水位。

根據碼頭環境條件的統計數據，平臺正常舾裝時，可能遭遇的最大風速為 10級陣風，取其上限，即28.4m/s，最大流速3kn，為1.543m/s，具體風、流環境條件組合如表3所示，其作用方向見圖2。

表3 風流組合條件

圖1 系泊纜剛度曲線

圖2 環境載荷作用方向定義

3 計算方法

3.1 風載荷計算

采用模塊法計算平臺的風載荷。將平臺離散成不同的標準構件模塊，疊加各組成構件的載荷獲得總載荷。

平臺的總風載荷為：

其中，第i個單個構件的受力為：

式中，ρa——空氣密度；

A——受風面積；

Ci——載荷系數，是風向角以及平臺位置狀態的函數；

Cqi——影響修正系數，計及了風場的影響、構件間的相互影響等。

采用荷蘭MARIN研究所開發的計算軟件DPSEMI，對平臺水面以上的主要模塊進行離散，根據各模塊載荷特性確定 Ci和 Cqi，然后疊加個模塊載荷，得到平臺總風載荷。風載計算模型示意圖見圖3，計算出的風載荷系數如圖4所示。

圖3 風載計算模型

圖4 風阻力系數

3.2 流載荷

對半潛式平臺水下部分，使用CFD的方法計算平臺的橫向流載荷和縱向流載荷。

對于不可壓縮流體，其連續性方程和Navier-Stokes方程分別為：

式中： ui——速度分量；

Fi——質量力分量，(i = 1 ,2,3)；

ρ——壓力；

ν——運動粘性系數。對方程(3)、(4)進行雷諾平均，消除所有的高階小量，得到RANS方程：

采用kε-模型，應用有限體積法，根據上述方程組，通過數值計算可得到平臺水下部分的流載荷。計算結果如表4所示。

3.3 系泊纜模擬

對于具有變剛度特性的尼龍系泊纜，使用集中質量法進行模擬，即將一根系泊纜分成若干段單元，每段看作輕質短棒，段與段之間采用一個帶質量的節點連接。短棒上模擬系泊纜軸向的性質，而其他作用力則都集中于節點上。

系泊纜的張力值與其剛度特性相關，可用下式表示它們之間的關系：

表4 流阻力系數

式中：eT——有效張力；

3.4 護舷模擬

對于橡膠護舷，一般具有非線性剛度曲線。對其采用線性化處理，將護舷達到某一反力前的剛度曲線看作線性的，并忽略其受力面積的影響。對于碼頭護舷，對其達到最大反力值之前看作線性剛度，其剛度為2400kN/m；對于半潛式平臺和駁船間的護舷，對其達到最大反力值的60%前看作線性，其剛度為1060kN/m。

4 抗臺風系泊方案

4.1 多浮體混合帶纜系泊系統

為增強系泊方案抵御惡劣環境的能力，結合平臺與碼頭系纜樁布置的實際情況，利用平臺立柱上的錨鏈導纜孔，在平臺與碼頭間增設 Dyneema系泊纜。Dyneema系泊纜是一種強度和延伸率與鋼絲繩類似，但重量只有鋼絲繩 1/7的高性能系泊纜，能在保證高強度的前提下提高系泊纜的操作性。半潛式平臺、浮箱、駁船和碼頭由鋼絲繩、尼龍纜和高強度尼龍纜相連接，構成多浮體混合帶纜系泊系統。

考慮到平臺與碼頭上系纜樁數目以及布置的實際情況，增設Dyneema系泊纜后的碼頭系泊布置圖，包括鋼絲繩編號和Dyneema系泊纜編號，如圖5~7所示。

圖5 多浮體混合帶纜系泊系統計算效果圖

圖6 增設Dyneema系泊纜后3600t甲板駁系泊方案

圖7 增設Dyneema系泊纜后3600t甲板駁系泊方案

4.2 計算結果

分析中使用的環境條件為臺風工況：風速12級，36.9m/s，流速3kn，1.543m/s。針對平臺的運動以及受力較大的鋼絲繩和Dyneema系泊纜，計算結果如表5所示。計算結果表明，系泊方案可滿足臺風狀態下的系泊系統安全要求。

表5 主要靜態計算結果

表5 主要靜態計算結果（續）

5 結 語

本文以某深水半潛式鉆井平臺的碼頭系泊系統為例，進行抗臺風系泊計算分析，建立了多浮體混合帶纜系泊系統，得到了可用于實際施工的工程解決方案。經計算及實際工程項目檢驗，多浮體混合帶纜系泊系統可滿足臺風狀態下的平臺系泊安全要求。

[1] 向 溢，譚家華. 碼頭系泊纜繩張力的蒙特卡洛算法[J]. 上海交通大學學報，2001，35(4): 548-551.

[2] 楊 啟，李 臻. 基于模矢搜索的船舶系泊評價函數[J]. 上海交通大學學報，2007，41(2): 221-226.

[3] 鄒志利，張日向，張寧川，等. 風浪流作用下系泊船系纜力和碰撞力的數值模擬[J]. 中國海洋平臺，2002，17(2): 22- 27.

[4] 陳 剛，吳曉源. 深水半潛式鉆井平臺的設計和建造[J]. 上海造船，2012, (1): 9-14.