纜繩預張力和剛度對自升式平臺碼頭系泊性能的影響

張 健，連建魯，楊 勇，袁洪濤

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003;2.上海外高橋造船有限公司，上海200137)

0 引 言

自升式海洋平臺是一種重要的采油設施，平臺設備復雜，在船廠碼頭舾裝、維修長達8－10個月，在此期間，平臺可能遇到臺風天氣，自升式平臺并未插樁，即樁腿沒有下放，平臺主體浮于水面。為保證此期間自升式海洋平臺安全，特別是遇到臺風等惡劣條件的情況，需要對平臺進行碼頭系泊。

自升式平臺碼頭系泊研究對于大型系泊物體也有很大的參考意義。大型船舶和海洋結構物如果在碼頭系泊不當，遇到惡劣的天氣，運動幅度失控，特別是系泊攬斷裂后，會造成巨大的破壞。典型碼頭系泊事故案例發生在1987年，名為“大鷹海”的外國船只在寶鋼碼頭進行系泊，遭遇惡劣海況，系泊纜繩全部斷裂，極速撞向碼頭棧橋，造成200多米的橋體和橋墩的毀壞，同時也造成船體嚴重損壞［1］。

自升式鉆井平臺在結構、外形、重心等方面與常規船舶有顯著區別，其碼頭系泊比較特殊。參考半潛式平臺的碼頭系泊方案［2］，考慮到系泊經濟性和安全性一般采用中間墊靠駁船的系泊方式。本文在此基礎上確定系泊方案，并進行纜繩預張力和剛度對系泊系統影響的研究。

1 自升式平臺碼頭系泊系統

1.1 自升式平臺及靠泊駁船參數

本文針對JU2000E型自升式平臺計算。靠泊駁船為方形駁船，排水量1 013 t。平臺主要參數見表1。

表1 自升式式鉆井平臺主尺度參數Tab.1 Principal parameters of the self-elevating drilling platform

1.2 系泊纜繩和護舷設置

系泊纜繩采用鋼纜，平臺碼頭系泊時13 根纜繩與碼頭相連，鋼絲纜的名義直徑為40 mm，破斷拉力為1 158 kN。碼頭護舷壓縮性能(力學特性)為受壓力57.9 t 時壓縮52.5%;受壓力61.5 t 時壓縮55.5%。

1.3 坐標系和環境參數的確定

考慮平臺多自由度的運動，綜合流向、風向、波浪方向以及平臺和碼頭的相對位置，設定如圖1所示坐標系。

圖1 自升式平臺系泊大地坐標系Fig.1 Coordinate system of the jack up drilling platform quay mooring system

圖1 大地坐標系為OXY，平臺側面長邊平行靠泊駁船，中間用橡膠碰墊接觸，風、浪、流指向平臺。平臺隨體坐標系為(o1x1y1)與大地坐標系夾角為30°。平臺坐標原點為平臺中心基線處。駁船的坐標系(o2x2y2)與大地坐標系平行，坐標原點在駁船幾何中心。

船舶在碼頭上進行系泊時，有3 種運動形式對系泊纜繩的受力和碼頭護舷的受力影響最大，分別為船舶的縱蕩、橫蕩、首搖，而另外3個自由度對結果的影響不大，可以忽略［3］。自升式平臺系泊，考慮到多個自由度的運動，也參考此結論，故設置以上坐標系。

1.4 平臺風、流載荷系數的確定

根據OCIMF 風、流載荷計算公式，結合計算流體力學軟件Fine/Marine 計算出風載荷系數值，公式為:

式中:Asurge，Asway，Ayaw 分別為縱蕩、橫蕩、首揺面積。Csurge，Csway，Cyaw 分別為對應的載荷系數。

圖2 Fine/marine 平臺水上模型(風載荷)Fig.2 The model of platform in fine/marine about wind

圖3 Fine/marine 平臺水下模型(流載荷)Fig.3 The model of platform in fine/marine about flunt

Fine/Marine 采用非定常計算方式計算載荷，湍流模型為κ－ε模型［4］，將平臺整體表面定義為body 采用壁面條件，流域上下表面采用Frozenpressure 條件，入流口加流速，其他邊界設置為遠場條件。

本文簡化了風載荷數值模型，取桁架樁腿每側滿足實際投影面積的30%［5］，將樁腿截面等效為正三角柱體［6］，井架等效為長方體。計算風速采用28.4 m/s，流速1.54 m/s。得出風、流載荷系數如圖4～圖5所示。

圖4 風載荷系數Fig.4 The coefficents of wind

圖5 流載荷系數Fig.5 The coefficents of flunt

1.5 系泊方案的確定

自升式平臺碼頭系泊模擬地點設定在上海外高橋碼頭。參考碼頭纜樁布置，采用系泊方式如圖6所示。

圖6 平臺碼頭系泊方案Fig.6 The quay mooring scheme of platform

圖6 中連接自升式平臺和碼頭纜繩編號1～13，連接平臺和靠泊駁船的纜繩編號A～D。連接駁船和碼頭的纜繩在計算中受力始終很小，對系泊系統影響較小，固不作為后續計算分析纜繩。

2 纜繩預張力分布對系泊影響

2.1 纜繩預張力分布

預張力表示在無環境載荷狀態下，通過絞車絞緊給系泊纜提供的初始張力值。本節尋找A～D 纜繩相對于1～13 合理的預張力大小。1～13 號纜繩采用10 t 預張力，A～D 號纜繩分別設置2 t，6 t，10 t 預張力。風向設定離岸風和沿岸風向，計算間隔30°，最終得出纜繩在不同風向下的受力作為對比數據。

表2 計算方案Tab.2 The calculation scheme

2.2 計算結果分析

圖7 表示纜繩1～13和A～D 在3 種方案下的最大受力值。

圖7 三種方案各纜繩最大受力Fig.7 The max line force in three kind of scheme

圖8 表示各個纜繩在3 種方案下受力值大小隨風向的變化情況。圖8(a)，8(b)，8(c)為1～13 號纜繩隨風向受力變化值，圖8(d)，8(e)，8(f)為A～D 號纜繩隨風向受力變化值。

由圖7 可知:1)隨著駁船與平臺連接的纜繩A～D 預張力增大，平臺與碼頭相連纜繩line1～13最大受力基本不變;2)纜繩A～D 最大受力值隨初始預張力增加而增大，極值均在安全范圍之內。

由圖8 可知，1)纜繩line1～13 在3 種預張力方案下變化趨勢一致;2)纜繩lineA～D 三種預張力增加的情況下受力變大;3)在10 t 預張力情況下，纜繩承受力相對均勻。計算總結:

圖8 A～D 三種預張力方案下各纜繩受力Fig.8 The line force under 3 kind of pre-tension about A～D line

1)保持所有纜繩預張力一致更有利于保持系泊系統的穩定性;

2)風向0°，150°，180°情況下平臺與碼頭連接的纜繩受力極值會很大;

3)風向90°的情況下，平臺和駁船之間的纜繩受力極值最大。

后續計算會重點分析這幾個方向的纜繩受力。

3 纜繩預張力及剛度對系泊的影響效果對比

3.1 計算工況

剛度是系泊纜繩的剛度特性，雙倍剛度代表2 根系泊纜繩系泊在同一位置，具體計算將剛度加倍即可。

在上節方案基礎上，設定所有纜繩預張力相同，采用4 種系泊計算工況分析纜繩預張力、剛度的影響:

1)每根系泊纜為10 t 預張力，單倍剛度;

2)每根系泊纜為30 t 預張力，單倍剛度

3)每根系泊纜為10 t 預張力，雙倍剛度;

4)每根系泊纜為30 t 預張力，雙倍剛度風速28.4 m/s，風向設定離岸風和沿岸風向，計算間隔30°，最終求出對比數據，通過分析平臺位移、系泊纜受力與各個工況的關系，分析纜繩預張力和剛度值對系泊系統的影響。

3.2 計算結果分析

重點分析0°，90°，150°下，纜繩line4，line12，lineD 極限受力和平臺縱蕩、橫蕩、首搖幅度。

表3 計算結果對比Tab.3 Comparison of calculated results

如表3 結果所示:0°風向下平臺的縱蕩運動，此方向風和流均沿縱向給平臺施加力，如圖雙倍剛度對降低縱蕩運動幅度的效果明顯好于纜繩預張力的增加。90°風向下平臺橫蕩運動和150°風向下平臺首搖運動也呈現相同的規律，雙倍剛度帶來的降低橫蕩和首搖的效果由于增加預張力。

纜繩line12，line4，lineD 在風向為150°，0°，90°的情況下的張力值大小，這些方向為纜繩最危險的受力方向。結果依然表明纜繩剛度的增加對最終張力值的減小效果明顯優于增加預張力。最終可知雙倍剛度(雙股纜繩)會有效降低危險纜繩最終受到的張力值大小，使系泊系統更加安全。

4 結 語

通過上述分析，可以得出如下結論:

1)保持所有纜繩預張力一致更有利于保持系泊系統的穩定性;

2)在一定程度內增加系泊纜繩預張力可以改善系泊系統運動和纜繩受力;

3)系泊纜繩雙剛度可以有效減小平臺的運動，大幅降低單根纜繩最終受力;

4)增加系泊纜剛度往往效果好于增加預張力;

5)特定方向的纜繩需格外加強，例如平臺首尾部的倒纜，艏艉護舷也需加強。

［1］林兆全.浪流作用下系泊船舶撞擊力和系纜力試驗研究［D］.大連:大連理工大學，2007.

［2］吳小鵬.深海半潛式鉆井平臺碼頭系泊數值計算與模型試驗研究［D］.上海:上海交通大學.

［3］OCIMF.Mooring Equipment Guidelines 3rd Edition［S］.London，England，2007.

［4］侯愛波，汪夢甫.建筑數值風洞的基礎研究［J］.湖南大學學報，2007，34(2):21－24.HOU Ai-bo，WANG Meng-fu.Fundamental research of the architectural numerical wind tunnel［J］.Journal of Hunan University，2007，34(2):21－24.

［5］唐友剛，張素俠.深海系泊系統動力特性研究進展［J］.海洋工程，2008，26(1):120－126.TANG You-gang，ZHANG Su-xia.Advance of study on dynamic characters of mooring systems in deep water［J］.The Ocean Engineering，2008，26(1):120－126.

［6］趙勝濤，張海燕.自升式平臺桁架樁腿風載荷研究［J］.中國海洋平臺，2014，29(1):29－36.ZHAO Sheng-tao，ZHANG Hai-yan.The wind study on the truss leg of jack-up units［J］.China Offshore Platform，2014，29(1):29－36.