半潛式起重平臺系泊系統設計與優化研究

樊 磊，孫麗萍，王宏偉，王金光

(1．哈爾濱工程大學 深海科學與技術創新引智基地，黑龍江 哈爾濱 150001；2．煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

半潛式起重平臺系泊系統設計與優化研究

樊 磊1，孫麗萍1，王宏偉1，王金光2

(1．哈爾濱工程大學 深海科學與技術創新引智基地，黑龍江 哈爾濱 150001；2．煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

近年來，國內興起了大力發展半潛式起重平臺的勢頭，系泊系統的設計與優化是該類型平臺開發中的關鍵問題之一。采用時域方法對半潛式起重平臺系泊系統進行耦合動力分析，研究系泊系統主要參數對其動力響應特性的影響，并給出主要參數的設計優化流程，在此基礎上，以能夠滿足安全校核且性能較優的系泊方案為目標，對該半潛式起重平臺的系泊系統進行優化設計，并研究單根系泊纜發生破斷對整個系泊系統的影響。結果表明：基于主要參數對系泊性能的影響規律，經優化設計得到的系泊方案，預留的安全欲度適中，能夠保障半潛式起重平臺在惡劣海況下的生存能力，同時具備較好的經濟性。

半潛式起重平臺；系泊系統；方案設計與優化；耦合分析

海洋油氣資源的大力開采促使能夠完成海上重型起重作業的半潛式起重平臺(semi-submersible crane vessel，簡稱SSCV)一直處于供不應求的狀態。目前，國內正興起大力發展半潛式起重平臺的勢頭[1]。然而，隨著鉆采海域向深海的拓展，半潛式起重平臺在深海惡劣海況下的生存能力受到嚴峻挑戰[2-3]，并且該類型平臺作業海域極為廣泛，迫切需要安全可靠且對不同作業海域具有更好適應性的系泊系統。同時，系泊纜作用于錨端的垂向提升力又會對該類型平臺常用的拖曳嵌入錨產生不利影響，須嚴格控制，因此，系泊系統的設計與優化一直被視為半潛式起重平臺開發中的焦點問題和關鍵技術。

董璐等[4]采用模型試驗和時域準靜態方法對起重船與系泊系統進行分析，研究了水深變化對淺水中的系泊起重船運動的影響；童波等[5]分析了系泊纜直徑、長度、預張力角度等因素對深水半潛平臺系泊系統動力特性的影響；宋安科[6]采用時域耦合動力分析的方法對深水半潛式鉆井平臺的系泊系統進行數值分析，研究了系泊纜材料、頂部張角、頂部預張力、軸向剛度以及平臺作業水深對系泊系統的定位能力和強度影響；馮愛春等[7]采用時域分析方法研究某半潛式平臺在不規則波作用下的動力響應特性，重點研究了系泊纜發生斷裂對其運動譜和系泊纜張力譜的影響。國內對于半潛式起重平臺系泊系統設計與優化的研究較少，大多是以半潛式鉆井或采油平臺為研究對象。因此，文中以某半潛式起重平臺為研究對象，采用耦合動力分析方法，研究系泊系統主要參數對其動力響應特性的影響，以能夠滿足安全校核且性能較優的系泊方案為目標，對該半潛式起重平臺的系泊系統進行優化設計，并研究單根系泊纜發生破斷對整個系泊系統的影響，旨在為半潛式起重平臺系泊系統的方案設計和優化選型提供參考。

1 系泊系統分析方法

分析系泊浮體的運動響應以及與它相連的系泊系統的動力響應主要采取三種方法：解耦分析、耦合和半耦合分析。而根據所分析的浮體形式、設計階段或作業工況等的不同，可以采取不同的分析方法，通常有以下幾種方式：頻域解耦分析、時域半耦合分析、時域半耦合分析加時域耦合分析、頻域耦合分析、頻域耦合分析加時域耦合分析以及頻域解耦分析加時域耦合分析[8]。

這里對所研究的半潛式起重平臺及其系泊系統采用頻域耦合分析與時域耦合分析相結合的分析方式，主要探討該平臺系泊系統在1 000 m水深時的動力響應，其中以時域耦合分析方法為主。

耦合分析是將浮體與系泊系統集成在同一個模型中，同時求解由系泊系統動力特性和浮體6個自由度剛體運動方程組成的系統運動方程，完全考慮浮體與系泊系統的相互作用，考慮了細長體對平臺運動的所有的影響，如剛度、阻尼、波浪載荷、流載荷以及慣性等。浮體與系泊系統耦合運動方程可表示為：

2 系泊系統初步設計

2.1風載荷和流載荷

為準確獲得半潛式起重平臺的風載荷和流載荷，對該平臺分別進行了模型風洞剛性測力試驗和模型水池拖航阻力試驗。

根據模型試驗測得風載荷和流載荷，按照式(2)計算得到風載荷系數和流載荷系數，并根據各自的模型縮尺比以及作業海域的實際風速和流速，換算得到實船的風載荷和流載荷。

2.2設計標準

文中所研究的半潛式起重平臺的系泊系統主要是保障平臺在惡劣海況下的生存能力，因此，環境條件選用十年一遇的風暴狀態與一年一遇的環流狀態，如表1所示。為了獲得最不利的環境載荷，采用風浪流同向。規定環境載荷入射方向：0°為船尾指向船艏，90°右舷指向左舷。

表1 環境條件Tab. 1 Metocean conditions

這里主要關注半潛式起重平臺動力響應情況，即系泊纜的頂端張力和錨端提升力。

參考ABS規范[10]和API規范[8]中的設計標準，對該半潛式起重平臺的系泊系統進行安全校核。

由于ABS規范對系泊纜安全系數的規定不完整，僅給出了采用準靜態分析方法時系泊纜校核所需的安全系數，所以參考API規范，按照式(3)對安全系數進行修正，獲得了采用動態分析方法時系泊纜的安全系數SFd，并得到ABS的認可。

半潛式起重平臺通常使用拖曳嵌入錨，該類型錨對于系泊纜垂向提升作用的承受能力與海底土壤條件密切相關，在砂質土壤或硬質黏土中因嵌入深度受到影響會對提升力較為敏感[11]，提升力過大會導致錨被拉離海床，造成系泊系統失效，所以須同時對系泊纜的錨端提升力進行嚴格控制，以確保系泊系統的可靠性。

安全系數和錨端提升力的校核標準如表2所示。

表2 系泊系統校核標準Tab. 2 Design criteria

2.3平臺與系泊系統主要參數

該半潛式起重平臺的結構形式如圖1所示，采用2個浮箱，4個大立柱，2個小立柱以及數個斜撐和橫撐，關于中縱剖面對稱，平臺的具體參數如表3所示。

圖1 半潛式起重平臺示意Fig. 1 Aft view of the semi-submersible crane vessel

項目長/m寬/m高/m主甲板807038(距龍骨)下浮體118158前立柱151525后立柱17.51525

該半潛式起重平臺最大作業水深為1 000 m，采用懸鏈式系泊系統為宜，該系泊系統由4組12根對稱布置的系泊纜組成，如圖2所示。每根系泊纜采用鋼纜和鋼鏈的組合形式，鋼纜上端與平臺導纜孔相連接，鋼鏈末端與錨基礎相連接，鋼纜和鋼鏈的材料屬性根據統一工業標準[11]進行選取，如表4所示。

圖2 半潛式起重平臺系泊系統布置形式示意Fig. 2 Arrangement of mooring system

項目鋼纜鋼鏈直徑/mm7676長度/m22502000干重/(kg·m-1)26.85123.00濕重/(kg·m-1)22.5798.40軸向剛度/kN333960550000破斷強度/kN49005000慣性力系數Ci2.02.0縱向曳力系數Cd1.82.4

3 結果分析

3.1系泊系統設計優化

影響懸鏈式系泊系統性能的因素主要包括：系泊系統的布置形式(系泊纜根數、系泊纜組數、布置角度等)、頂端預張力、分段系泊纜的組成成分以及組合方式、組成成分的材料屬性(直徑、長度、干重、濕重、軸向剛度、破斷強度以及動力特性等)、絞車的應用等。在系泊系統的諸多參數中，系泊纜的破斷強度是設計過程中的最為關鍵的參數，直接或間接地影響系泊系統中的絕大多數參數的選取，應予以優先確定，系泊纜的半徑、軸向剛度等基本參數由于直接影響到系泊纜的破斷強度，在后續的優化設計中通常不進行探討，而是以初步設計方案為準。因此，本文主要研究系泊纜的布置角度、系泊纜組成成分的長度以及頂端預張力對平臺運動響應和系泊系統動力響應的影響規律，以能夠滿足安全校核且性能較優的系泊方案為目標，采用時域耦合動力分析方法，對這些參數進行選取，并對初步確定的優化方案進行安全性與經濟性評估。具體流程如圖3所示。

圖3 系泊方案的設計與優化流程Fig. 3 Design and optimization procedure for mooring system

3.1.1 布置角度

系泊纜采用2 250 m鋼纜和2 000 m鋼鏈組合的初始長度，根據預先進行的頻域耦合計算，初步選定預張力約為769 kN(最小破斷強度的15.69%)，系泊纜之間的夾角分別選為7.5°、10°、12.5°、15°、17.5°和20°，布置形式參考圖2。不同布置角度的時域耦合動力計算結果如圖4所示。

圖4 布置角度對系泊纜動力響應的影響 Fig. 4 Comparison of dynamic response results of mooring lines with different arrangement angles

由圖4可見，隨著系泊纜夾角的減小，各浪向下受力最大的系泊纜所在位置相同，但其頂端張力卻呈減少的趨勢，說明隨著系泊纜夾角的減小，組內系泊纜更有效地提供系泊系統的回復力，減小受力最大的系泊纜所承受的載荷，降低了其動力響應程度，但同時也需要考慮由布置角度減小帶來的同組系泊纜之間的碰撞問題。

由表5可知，隨著系泊纜夾角的減小，平臺在迎浪時的縱蕩偏移量和橫浪時的橫蕩偏移量都有所增加，說明系泊纜夾角的減小導致該布置形式的系泊系統的定位能力下降。

該半潛式起重平臺的系泊系統以保證平臺在惡劣海況下的生存能力為目的，因此，在優化布置角度時，應重點考慮系泊系統的動力響應，而平臺的運動響應作為次要因素予以關注，同時兼顧同組系泊纜間的碰撞問題，將該系泊系統的布置角度選為12.5°。

表5 平臺迎浪時的縱蕩偏移量和橫浪時的橫蕩偏移量Tab. 5 Surge displacement in head sea and sway displacement in beam sea

3.1.2 系泊纜長度

系泊半徑過大會降低系泊系統抵御環境載荷的有效性，系泊系統重量過大會減小起重平臺的可變載荷，降低其有效起重能力，所以在保證系泊系統安全性的前提下，合理地減小系泊半徑能夠有效提高平臺和系泊系統性能。

預先進行的頻域耦合計算結果顯示：布置角度為12.5°時，最危險環境載荷入射角度為30°。因此，選取該角度作為系泊纜長度優化過程中環境載荷的入射角度。初選預張力約為769 kN。由于單位長度下鋼鏈的濕重較鋼纜的濕重大得多，減小鋼鏈的長度對提高平臺作業能力和系泊系統性能更為顯著，所以，設定鋼鏈長度由初始的2 000 m依次減小，鋼纜長度保持2 250 m不變，進行時域耦合動力分析，計算結果如圖5所示。

隨著鋼鏈長度的減小，受力最大系泊纜的頂端張力和錨端提升力均逐漸增加，頂端張力呈近似線性化增加，錨端提升力在鋼鏈長度小于900 m后迅速增加。參考校核標準，鋼鏈長度宜選為800 m。

3.1.3 頂端預張力

系泊纜的預張力對系泊系統的性能影響較大，預張力不宜過小或過大，過小會導致系泊纜出現松弛現象，降低系泊系統抵御環境載荷的有效性，過大則會造成系泊纜張緊過度，系泊系統對環境載荷過于敏感，整體安全性降低。

根據系泊纜長度優化結果，選定鋼鏈長度為800 m，鋼纜長度為2 250 m。調整預張力傾角，以約為50 kN(最小破斷強度的1%)的步長將預張力由678 kN逐漸增大至1 014 kN，對平臺和系泊系統進行時域耦合動力分析。計算結果如圖6所示。

圖5 不同長度鋼纜下的系泊纜頂端張力和錨端提升力的統計最大值Fig. 5 Comparison of dynamic response results of mooring lines with different chain lengths

圖6 不同預張力下的系泊纜頂端張力和錨端提升力的統計最大值Fig. 6 Comparison of dynamic response results of mooring lines with different pretensions

隨著系泊纜預張力的增加，受力最大系泊纜的頂端張力和錨端提升力均逐漸增加，這是由于預張力的增加導致系泊纜的張緊程度增加，從而提高由系泊纜受到拉伸而產生的回復力。預張力的增加能夠提高系泊系統的定位能力，但同時增加了系泊系統的負荷，降低其對惡劣海況的抵御能力。因此，參照校核標準，同時考慮到預張力不宜過大或過小，認為之前頻域耦合計算得到的769 kN預張力較為適合。

根據各參數對系泊系統性能的影響規律，設計該半潛式起重平臺的系泊方案，主要參數如表6所示。

表6 系泊系統主要設計參數

3.2設計方案安全性與經濟性評估

為了評估設計方案的安全性和經濟性，在完整和破損工況(單根失效后系泊系統進入穩態)下，進行全浪向的時域耦合動力計算。為了獲得具有較高置信度的系泊系統動力響應的統計數據，根據API規范推薦[8]，對每個浪向均進行時長為3小時的5個波浪隨機數的計算，并采用最大響應平均值法統計計算結果。

從偏于安全的角度出發，工程上對破損工況中的失效系泊纜的選取較為嚴格，通常將完整工況中張力第二大的系泊纜進行破損處理，從而對完整狀態系泊系統中受力最大的系泊纜進行更為苛刻的檢驗。完整工況和破算工況的計算結果如圖7所示。

圖7 完整工況和破損工況系泊系統的安全系數和錨端提升力對比Fig. 7 Comparison of safety factors and uplift loads between intact mooring system and damaged mooring system

分析圖7中的計算結果可知：

1)完整工況下，危險浪向為150°，此時12號系泊纜受力最大，頂端張力達到1 887 kN，相應的安全系數為2.60。最大的錨端提升力出現在75°浪向下，為25.03 N，但由于各個浪向的錨端提升力均較小且相差無幾，所以認為在150°浪向下環境載荷對系泊系統的影響最大。參照校核標準，系泊系統在完整工況下能夠通過安全校核。

2)完整工況下，各個浪向下受力最大系泊纜的受力情況呈現出比較均勻的態勢，說明該系泊方案對各個入射角度下的環境載荷具有良好的適應性。

3)破損工況下，危險浪向為120°，此時系泊纜的頂端張力和錨端提升力均出現大幅增加，最小安全系數達到2.02，最大錨端提升力達到1 802.38 N，均能夠通過安全校核。其中，盡管最大錨端提升力大幅增加，但仍不致對拖曳嵌入錨的嵌入深度造成顯著影響。

4)經優化設計得到的系泊系統，在完整工況和破損工況下都具有較好的安全性和經濟性，達到了優化設計的預期目標。

為了進一步研究單根系泊纜出現破損對系泊系統的影響，以完整工況下的最危險浪向150°為例，對比分析完整工況和破損工況下各根系泊纜的受力情況，如圖8所示。

圖8 150°浪向下，完整工況和破損工況各根系泊纜受力分布情況對比Fig. 8 Comparison of tension distributions in intact mooring system and damaged mooring system

通過對比發現，當受力第二大的11號系泊纜發生斷裂，系泊系統重新進入穩定狀態后，與發生破損的11號系泊纜同組的10號和12號系泊纜受力明顯增加，且呈現出更不穩定的狀態，而與該組相對的第2組中4號、5號和6號系泊纜的受力則略有降低，穩定性也略有增加，其余兩組系泊纜由于處在與發生破斷的11號系泊纜和環境載荷垂直的方向上，并未受到明顯的影響。盡管破損工況下系泊系統的穩定性略有降低，但系泊系統預留的安全余量充足，系泊纜破斷不致對系泊系統的穩定性造成顯著威脅，因此，該設計方案能夠達到優化設計的預期目標。

4 結 語

通過對某半潛式起重平臺的系泊系統進行研究和優化選型，得到以下結論：

1)影響半潛式起重平臺系泊系統的因素較多且相互關聯，系泊纜布置角度的增大、預張力的增加以及系泊纜長度的減小，均會導致系泊系統頂端張力和錨端提升力的增加，在設計優化中，應對這些參數合理選取，以控制系泊系統的動力響應。

2)基于主要參數對系泊性能的影響規律，經優化設計得到的系泊方案，預留的安全欲度適中，能夠保障半潛式起重平臺在惡劣海況下的生存能力，同時具備較好的經濟性。

3)系泊纜的破斷會導致危險浪向發生改變，同時增加受力最大的系泊纜所承受的環境載荷，盡管在規范許可范圍內，但仍對平臺的安全性造成威脅，應予以關注。

4)系泊纜出現破損，系泊系統重新進入穩態后，系泊纜受力重新分布，與破損系泊纜同組和相對一組的系泊纜受到的影響較為明顯，而其余系泊纜的受力情況無明顯變化。

這里只探討了作業水深為1 000 m的情況，不同作業水深對半潛式起重平臺系泊系統性能的影響還需進一步研究。

[1] 閔兵，舒仕勇. 半潛式起重工程船在海洋工程中的應用[J].中國造船，2010，51(1)：156-161.(MIN Bing, SHU Shiyong. Application of semi-submersible crane vessel in marine engineering[J]. Shipbuilding of China, 2010, 51(1):156-161. (in Chinese))

[2] 張志明，徐丹錚，張超，等. 大型起重船船型開發的若干技術問題初探[J].船舶，2005(1)：10-15.(ZHANG Zhiming, XU Danzheng, ZHANG Chao, et al. Technical problems in ship type development of large crane ship[J]. Ship & Boat, 2005(1):10-15. (in Chinese))

[3] 黃山田，江錦，劉祺鳳，等. 復雜海況下工程船的錨泊方案設計[J].中國造船，2012，53(S1)：179-183.(HUANG Shantian, JIANG Jin, LIU Qifeng, et al. Anchor pattern design for derrick barge in congested area[J]. Shipbuilding of China, 2012, 53(S1):179-183. (in Chinese))

[4] 董璐，徐慧，高巍，等. 水深對系泊起重船運動影響的數值與試驗分析[J].海洋工程，2012，30(4)：125-130.(DONG Lu, XU Hui, GAO Wei, et al. Numerical simulation and experimental comparison about waterdepth’s influences to moored floating crane ship[J]. The Ocean Engineering, 2012, 30(4):125-130. (in Chinese))

[5] 童波，楊建民，李欣. 深水半潛式平臺懸鏈線式系泊系統耦合動力分析[J].中國海洋平臺，2008，23(6)：1-7.(TONG Bo, YANG Jianmin, LI Xin. Coupled dynamic analysis of catenary mooring system for the deepwater semi-submerged platform[J]. China Offshore Platform, 2008, 23(6):1-7. (in Chinese))

[6] 宋安科. 深水半潛式鉆井平臺系泊系統方案設計與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.(SONG Anke. Design and analysis of the mooring system of deepwater drilling semi-submersible[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2005. (in Chinese))

[7] 馮愛春，尤云祥，范菊. 不規則波中半潛式平臺及其系泊系統動力響應分析[J].海洋工程，2010，28(3)：31-36.(FENG Aichun, YOU Yunxiang, FAN Ju. Dynamic characteristics of a semi-submersible platform with mooring system in irregular waves[J]. The Ocean Engineering, 2010, 28(3):31-36. (in Chinese))

[8] API, Recommended practice for design and analysis of stationkeeping systems for floating structure[S]. 2005.

[9] DNV, Deep water coupled floater motion analysis[S]. 2005.

[10] ABS, Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2008.

[11] Vryhof Anchors. Anchor manual: the guide to anchoring [M]. 2010: 152-164.

Investigation on mooring system design and optimization of a semi-submersible crane vessel

FAN Lei1， SUN Liping1， WANG Hongwei1， WANG Jinguang2

(1. Deepwater Engineering Science and Technology Innovation and Talent Introducing Base, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Yantai CIMC Raffles Offshore, Ltd., Yantai 264000, China)

In recent years, China has witnessed a rising trend triggered by the development of semi-submersible crane vessels, and mooring system design and optimization are one of the key issues in the design of the semi-submersible crane vessel. In this study, coupled-dynamic analysis of a semi-submersible crane vessel with mooring cables was performed in the time domain to design and optimize the mooring system, in which the effects of basic parameters of the mooring system on its dynamic characteristics were evaluated. Design and optimization procedure that involves basic parameters of mooring system is presented. Particular attention was paid to the reliability of the mooring system designed in both intact and damaged conditions respectively, the characteristics of mooring system were investigated when the single cable was damaged as well. It is seen that the safety margin of the mooring system designed is well-controlled, which can provide not only a guarantee for the survival ability of this semi-submersible crane vessel in an extreme environmental condition but also a good concern for economy.

semi-submersible crane vessel; mooring system; design and optimization; coupled analysis

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.01.004

1005-9865(2015)01-0031-08

2013-11-28

教育部博士點科研基金資助項目(20132304120008)

樊 磊(1988-)，男，遼寧人，碩士生，主要從事海洋結構物-系泊耦合分析。E-mail:fanlei07011206@163.com