南海島礁極淺水下半潛平臺錨泊系統數值模擬探究

王永恒，王 磊，汪學鋒，徐勝文

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

南海島礁極淺水下半潛平臺錨泊系統數值模擬探究

王永恒，王 磊，汪學鋒，徐勝文

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

錨泊定位系統是海洋工程裝備的關鍵技術之一，因其具有較高的安全性、較強的定位能力、相對較低的經濟成本等優點，因使用范圍相當廣泛，是海洋開發過程中必不可少的一項技術。本文針對南海島礁復雜地形，設計一套適應極淺水下平臺定位的錨泊系統，并計算分析其定位能力。考慮到復雜的地形，錨鏈采用非對稱式布置，同時，為增加錨鏈與海底摩擦力，提高平臺在偏離平衡位置后的回復力，在錨鏈上分散布置了許多重塊。通過分析時域模擬的結果，驗證該錨泊系統的可行性，為模型試驗和極淺水環境下平臺系泊系統的設計提供參考。

錨泊系統；定位精度；復雜地形；極淺水

0 引 言

在風浪流環境力作用下，為了保證海洋平臺的安全作業，需要裝備適當的定位系統來保證其運動在允許的安全范圍內。一般來說，常用的定位方式主要有錨泊定位、動力定位和錨泊輔助動力定位等，其中，錨泊定位發展時間較早，是一種較為傳統的定位方式，通常用于淺水中海洋平臺的定位[1-3]。

在錨泊系統設計中，海洋平臺的安全性是第一位的，所設計的錨泊定位系統首先要滿足平臺的定位需求，保證其安全作業；其次，要考慮錨泊系統本身的安全性，如錨鏈的破斷強度要足夠大，足以承受工作海域給定海況下的可能出現的最大張力，保證不出現錨鏈斷裂的情況[4]。

常規錨泊系統的錨鏈多沿著平臺的各個方向對稱布置，分散固定在海底錨點處，從而整個系統可以為平臺提供回復力和力矩，用以抵抗各種作用在平臺上的環境力，控制平臺的位置和首向變化[5]。本文研究的平臺其工作地點位于南海島礁附近，特點是水深極淺，地勢復雜，錨泊的布置方式和受力情況也變得非常復雜。受限于島礁附件有限的空間，以及工作需要靠近島礁的需求，在經濟、安全的前提下，本文使用非對稱方式布置錨鏈[6-8]。為增加錨鏈與海底摩擦力，提高平臺在偏離平衡位置后的回復力，在錨鏈上起始段布置了許多重塊[9]。

針對該復雜島礁環境所設計的非對稱錨鏈定位精度和安全問題是本文分析的重要問題。極淺水中系泊系統所采用的錨鏈上配置有許多重塊，其對錨泊系統安全問題的影響也是值得研究與分析的要點。

1 平臺運動響應理論

1.1 坐標系

隨船坐標系oxyz固定在平臺上，隨平臺搖蕩，平臺處于平衡位置，oxy平面與靜水面重合，oz軸垂直向上，與平臺中心軸重合。

大地坐標系OXYZ，當平臺在平衡位置時候，與隨船坐標系重合，但其不隨平臺搖蕩，始終處于平衡位置。

1.2 平臺時域運動方程

在隨船坐標系中，平臺時域運動方程[10]為：

將FF-K和FD合稱為一階波浪力Fw，Fw可根據Cummins[11]提出的時域與頻域波浪力的卷積關系計算：

二階波浪力Fsn采用 Newman 近似計算，根據間接時域法，即采用頻域格林函數法計算浮體的附加質量、阻尼和波浪作用力，通過快速傅里葉變換，將頻域水動力系數變為時域水動力系數[12]。

通過傅里葉變換，求得延遲函數：

式中λ為頻域中浮體的阻尼陣。

時域中浮體附加質量為：

式中：μ為頻域中浮體附加質量陣；ω0為任意值。

風力和流力計算根據 OCIMF 提供的資料進行計算，風力計算經驗公式為：

流力計算公式為：

式中：vk為風速；ch為風壓高度系數；cs為形狀系數；A為迎風面積；CD為流力系數；u為流速；A為迎流面積。

錨鏈系泊力Fm可采用懸鏈線方程計算，錨鏈視為完全撓性，不能傳遞彎矩，如圖 1 所示。圖 1中，A為上部平臺導出點，OA為錨索懸垂部分，O端與海底相切處，l為曲線OA長度，S為OA水平投影，h為水深，w為錨索單位長度的重量。OA線上各點都受到拉力，但A點的拉力Fm最大。Q為海底錨的水平拉力。V為Fm的垂直分力，它與錨索重平衡。

極淺水中，錨索長度不足 400 m，可以使用單一成分的錨索，因此只考慮全錨鏈形式。懸鏈線方程為：

2 錨泊系統設計及計算

半潛平臺水動力計算采用勢流軟件計算，錨泊系統設計與分析采用 SESAM 和 Orcaflex 軟件，風力、流力的估計值采用水池模型實驗的結果。

2.1 平臺附加質量和阻尼系數

半潛平臺主要參數如表 1 所示。

圖 2 和圖 3 為平臺附加質量系數和勢流阻尼系數。由圖 2 和圖 3 可知，對于水平面三自由度運動模態，附加質量系數在 1.4 rad/s 附近，出現峰值，過了該峰值后，隨波浪頻率的升高而急劇減小；在 1.4～1.5 rad/s 之間的波頻區，出現勢流阻尼的最大峰值。

表 1 半潛平臺主要參數Tab.1 Main parameter of semi-submersible platform

而對于垂直面三自由度運動模態，在 0.6～1.2 rad/s 區間，附加質量出現最大峰值，過了峰值點后，其值隨著波浪頻率的升高而減小。附加質量在波頻響應下較大，阻尼在較高頻的波浪響應下較大。根據三維勢流理論，附加質量和阻尼系數增大會導致平臺所受水壓力增大，對其運動響應會產生較大的影響。

2.2 設計工況和環境載荷

表 2 列出了平臺在海上工作的海洋環境條件。由于平臺位于南海島礁，深水波浪傳遞至平臺位置時，波浪方向逐漸垂直于海岸線[13]，因此本文主要考慮平臺在 90 ℃首向進行作業。模擬波浪譜采用北海聯合海浪計劃（JONSWAP）譜。

表 2 環境工況參數Tab.2 Environment parameters

2.3 系泊系統設計

懸鏈式錨鏈具有良好的對海底的抗磨損性，對錨的抓力有較好的作用，因此在極淺水時可以使用全錨鏈系統，而不必使用合成索和鋼絲繩[14]。

錨鏈采用鑄鐵錨鏈，鑄鐵環直徑為 66 mm，每節鑄鐵錨鏈長度為 27.5 m，重約 2 766 kg，最大破斷力3 300 kN。根據 API RP 2SK 規范[15]，對于完好的系泊系統，使用準靜態分析計算時，錨鏈最大張力的安全因子取 2.0；使用動力分析時，錨鏈安全因子取 1.67[16]。

淺水錨泊系統錨鏈拖底段較長，平臺飄曳范圍增大[17]，因此為了增大穩性，設計在每根錨鏈靠近導纜孔一側加部分配重塊。距導纜孔 10 m處開始布配重塊，相鄰配重塊間距 5 m，每個配重塊重 5 t，每根錨鏈固定 10 個配重，配重同時具有增加錨鏈與海底之間摩擦力的作用。

在錨泊定位系統中，通過調整錨鏈預張力的大小，可以調整結構物的定位精度。本文選取的預張力為 23 t。

2.4 極淺水錨泊系統布置

與深水作業的半潛平臺相比，淺水布置錨泊較為簡單。而且因為半潛平臺正向和側向面積差別不大，作用在各個方向上的環境力相當，可以采用輻射狀布置錨鏈。

考慮島礁附近海底地形特點，以及半潛平臺靠近島礁的工作特點，靠島嶼一側缺少足夠的空間布置錨鏈，因此靠岸側錨鏈相應縮短長度。所以本次的錨泊系統采用的是 8 點分散式懸鏈線系統，且靠岸一側錨鏈長度較短[18]，如圖 4 所示。每點連接 1 根錨鏈，共 8 根。

3 平臺時域模擬結果分析

3.1 六自由度運動時歷

1）工作海況

工作海況下，平臺的縱蕩、橫蕩、垂蕩運動時歷如圖 6 所示，橫搖、縱搖、首搖運動時歷如圖 7 所示。表 3 列出了平臺在工況海況下六自由度運動的統計結果。

由圖 5 和圖 6 的結果可知，在所給環境力條件下，平臺能較好地進行定位，最大橫蕩偏移位置為 1.2 m，最大橫搖角度為 0.96° 左右。平臺垂蕩數值也較小，最大垂蕩位移為 0.55 m，不會發生觸底風險。

該種錨鏈布置方式能提供相對很大的首搖恢復力矩，在這種較小的環境力作用下，平臺不會產生很大首搖角。

平臺最大橫蕩位移為 1.2 m，最大橫搖角度 0.96°，其標準差分別為 0.26 m，0.14°。因此在給定的環境條件下，該平臺的定位性能優秀。較小的標準差也反映了該錨泊系統的穩定性。

2）生存海況

生存海況下平臺的六自由度運動統計值如表 4 所示，縱蕩、橫蕩、垂蕩運動時歷如圖 8 所示，橫搖、縱搖、首搖運動時歷如圖 9 所示。

表 3 工作海況六自由度運動統計結果Tab.3 Operation condition 6-DOF statistical result

從六自由度運動時歷運動圖可以發現，該平臺橫漂較大。這是由于該平臺采用的八根錨鏈定位，在生存海況下為了錨鏈安全，預張力相對較小；而且，生存海況風速達到了 36 m/s，平臺受到很大的風力。因此，在上述綜合作用下，平臺產生較大的橫漂。

平臺的首搖運動較大，原因是平臺上層建筑的不對稱，導致平臺受到的風力實際上在首搖方向上有一個力矩。

表 4 生存海況六自由度運動統計結果Tab.4 Survival condition 6-DOF statistical result

3.2 導纜孔處錨鏈張力時歷分析

錨鏈較大的張力發生在生存工況中。圖 9～圖 10和表 5 分別給出了生存海況下受力最大的2根錨鏈張力時歷與統計結果。

生存海況中錨鏈受到的最大張力為 108 t，小于錨鏈破斷強度 330 t，安全系數為 3.05，遠大于設計安全系數 1.67，不會有錨鏈破斷的情況出現，其中 6 號和 7號錨鏈受力標準差較大，說明張力值變化頻率與幅值較大，需要注意防止其疲勞斷裂。

圖 11～圖 12 和表 6 為工作海況下受力最大的2根錨鏈張力和統計結果。相對于生存海況，工作海況下錨鏈拉力較小，最大值為 43 t，遠遠小于破斷張力，不會有錨鏈破斷的情況出現，其中 6 號和 7 號錨鏈受力標準差相對生存海況也較小，疲勞斷裂的風險較低。

3.3 錨點處錨抓力統計結果分析

由于錨鏈上間隔布置了配重，因此錨點受到的抓力并不大。

表 7 給出了生存工況下錨點抓力統計結果，這也是錨點抓力最大的工況。

可以發現，錨點抓力分為明顯不同的 2 組，即迎風浪一側 4 根和背風浪一側 4 根這 2 組。迎風浪一側的 5～8 號錨點受到較大的拉力，所以錨點抓力較大。其中最大的力為 90 t，屬于比較小的量級，這跟錨鏈特點有關，拖底段較長，以及錨鏈上間隔布置的 5 t 重塊，都阻礙了錨鏈導纜孔處的拉力傳遞到錨點處，因此不會發生走錨的危險[19]。

表 5 生存海況 1～8 號錨鏈張力Tab.5 Survival condition line 1～8 force

表 6 工作海況 1～8 號錨鏈張力Tab.6 Operation condition line 1-6 force

表 7 1～8 號錨點處抓力Tab.7 Line 1-8 anchor force

4 結 語

對極淺水下平臺的錨泊定位進行了系泊系統設計和時域模擬分析。在工作海況下，平臺整體運動響應較小，定位精度較高，不會發生觸底現象，且系泊系統各部分受力均滿足相關要求。在生存海況下，平臺整體運動響應雖然較大，但滿足平臺生存海況下運動允許的范圍，錨泊系統滿足生存海況下的破斷要求。根據不同工況下的時域模擬結果，可以證明該套錨鏈用于極淺水下平臺的定位是安全可行的。

本文較好地解決了近島礁淺水環境下浮式平臺的系泊問題，可為平臺的水池模型試驗和極淺水下平臺系泊系統的設計提供參考。

對于島礁周圍復雜海域的開發，由于復雜地形問題，經常會遇到類似的不規則錨泊設計問題。其可以在保證結構物定位精度的前提下，減少經濟成本，對此進行研究有很大的工程意義。

極淺水中錨泊定位，系統優化空間受到限制，可以在錨鏈上配重增加錨鏈與海底的摩擦力，提高平臺定位穩定性，減少起錨的風險。

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Numerical investigation of mooring system for a semi-submersible in ultra-shallow water of south china sea reefs area

WANG Yong-heng, WANG Lei, WANG Xue-feng, XU Sheng-wen
(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Mooring positioning system is one of the key technologies for marine structures, and it has high security, high positioning accuracy, relatively low economic cost, so it is widely used.It is an essential technology ocean development process.In this paper, designed a mooring system for a semi-submersible platform in ultra-shallow water of South China Sea reefs area and analyzed platform positioning accuracy.Considering the complex coastal ocean environment and ultra-shallow water, asymmetric arrangement mooring system is usually adopted.In order to increase bottom friction, chain is decorated a lot of weight.

ooring system；positioning accuracy；complex terrain；ultra-shallow water

P751

：A

1672-7619(2017)01-0068-06doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.014

2016-06-15；

: 2016-08-20

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2013CB036103)

王永恒(1989-)，男，碩士研究生，主要從事動力定位和系泊研究。