SPAR平臺張緊式與半張緊式系泊性能比較

康 莊，付 森，袁洪濤，王鈺涵

（1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 上海外高橋造船有限公司設計二所，上海 200137）

0 引 言

海洋平臺的定位方式主要有系泊系統定位、動力定位及動力定位+系泊組合定位等 3種，其中系泊系統定位因結構簡單、價格優良而得到廣泛應用[1]。系泊系統作為海洋結構物在作業時用到的定位裝置，對相關平臺、設備、設施的正常運行和工作人員的生命安全有著至關重要的影響。目前國際上通用的系泊系統是半張緊式系泊系統，既可為平臺提供充足的回復力，又可減小平臺的自重[2-3]。張緊式系泊系統采用濕重小的合成纖維材料，具有重量輕、耐腐蝕等優點[4]。

1) 懸鏈線式系泊系統是一種依靠系泊線自重為平臺提供三自由度回復力的系泊系統，當作業水深＞1500m時，由于懸鏈線式系泊系統的重量和系泊半徑過大，系泊性能嚴重下降。適用于深水作業的半張緊式和張緊式系泊系統見圖1。

圖1 適用于深水作業的半張緊式系泊系統和張緊式系泊系統

2) 半張緊式系泊系統自身重量小，且錨鏈和絲繩的經濟性能良好，使得其成為代替懸鏈線式系泊的首選系泊方式。

3) 張緊式系泊纖維材料的濕重小、系泊半徑小、水平恢復力大、垂向載荷小[5-7]，可在一定程度上降低采購和安裝時的經濟成本。

針對上述系泊系統的特點，應用商業水動力軟件AQWA對SPAR平臺的半張緊式系泊系統和張緊式系統進行水動力計算，分別得到各自的運動和受力曲線，整理數據結果并找出2種系泊方式的優劣。

趙戰華[8]對一艘工作水深為1500m的半潛式海洋平臺的張緊式系泊系統進行研究，結果表明該平臺的縱蕩、橫蕩和系泊線張力都要比采用半張緊式系泊系統時明顯小，但隨著錨泊角的增大，垂向力增大的同時，平臺的垂蕩效應加劇。WANG等[9]對淺水中浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）的懸鏈式系泊系統和張緊式系泊系統進行研究，對比采用2種系泊系統的FPSO水平位移和回復力，結果表明張緊式系泊系統的性能更優、經濟效益更好。

上述研究可為動剛度的計算提供參考，但仍需較為完善的模型來反映非線性應力應變關系，同時計算精度仍有進一步提升的空間。為滿足實際工程需要，本文基于API RP 2SM規范，針對我國南海作業環境下的SPAR平臺，選擇同樣的作業工況，比較半張緊式系泊系統和張緊式系泊系統的性能，為今后系泊系統的設計和應用提供參考。

1 系泊系統靜力及動力分析理論

靜力分析和動力分析是數值計算中常用的方式，其中：靜力分析采用懸鏈線法，從單根系泊線入手，可快速預估其幾何形狀及應力分布；動力分析主要有集中質量法和細長桿理論2種方法，可更加準確地預報系泊線在極端海況下的動力響應，以此檢驗應力是否在許用應力范圍之內[10-12]。

1.1 懸鏈線法

采用微元法對無彈性系泊線任意一小段單元進行靜力分析。圖2為無彈性懸鏈線式系泊線靜力圖，其中：ω為系泊線單位長度濕重；θ為張力T與x軸的夾角。平衡方程為

1) 水平方向

2) 豎直方向

忽略式(1)和式(2)中的小量和二階微量，并對其進行積分得

圖2 無彈性懸鏈線式系泊線靜力圖

從式(3)～式(5)中可看出系泊線不同參數之間是相互關聯的，在給定若干個參數之后便可根據已知條件聯合求解未知參數。

1.2 集中質量法

將管線離散成一系列無質量的直彈簧和質量節點[13]，坐標系見圖3，動力分析控制方程為

式(6)中：M為質點質量；Ajj為質點的附加質量；為微段所受外力。

圖3 集中質量法坐標系

采用Morison公式求解流體拖曳力，有

系泊線動力方程為

式(10)中：fn為法向流體力；fτ為切向流體力；為濕重；I為慣性力。通過數值積分，求解系泊線時域動力方程組可得系泊線張力。

1.3 總體運動方程

SPAR平臺及其系泊系統總體運動方程為

式(11)中：M為平臺質量矩陣；c為阻尼矩陣；k為剛度矩陣；Fs為流體靜力；Fwf為波頻力；Fsv為波浪低頻慢漂力；Fm為系泊力；Fr為立管力；

因此，SPAR平臺運動響應可分為風浪流引起的平均位移、差頻力引起的慢漂運動和波頻力引起的波頻運動等3部分[14]。

2 SPAR平臺系泊系統設計

2.1 SPAR平臺及環境參數

承載系泊系統的主體為立柱式生產平臺（SPAR），該平臺適用于我國南海海域及墨西哥灣海域，作業水深為2000m，其主要尺度見表1，模型示意見圖4。平臺及系泊系統的建模和計算工作由大型水動力及系泊分析軟件ANSYS AQWA完成。

表1 SPAR平臺主要尺度

在系泊系統工程應用設計過程中，為保證響應的隨機性，同時更好地校核設計方案可行性，選取南海百年一遇的海況（見表2）作為設計工況，浪向變化范圍為360°，選取8個浪向角。

表2 選取南海百年一遇的海況

2.2 坐標系的定義

依據南海的目標環境參數及土壤條件，取兩中線面與水線面的交點作為平臺局部坐標系的原點O，環境載荷的0°沿著x軸正方向，90°沿著y軸的正方向，環境載荷的方向見圖5。

圖4 SPAR平臺示意

圖5 環境載荷方向的定義

2.3 系泊準則及設計流程

依據API RP 2SK規范要求，在設計和分析系泊系統時應考慮完整系泊系統及破損系泊系統2種作業條件。完整系泊系統即所有系泊線均正常工作，保持一定的張力；破損系泊系統指的是一根系泊線斷開，其他系泊線均正常工作。系泊系統在完整條件下采用不同分析方法對應的系泊線安全系數要求見表3。

表3 系泊線安全系數要求

根據平臺作業海況和規范中系泊準則的限制對系泊系統進行設計，先后分析頂張角、導鏈器高度、分段長度、直徑、根數、布置方式及組內夾角等參數對系泊系統性能的影響，并將這些參數按其對材料成本影響的大小排序，遵循短系泊線長度、低材料等級、小直徑和少根數的原則，結合平臺布置逐步深入優選方案。為確保2種系泊方式最終的計算結果具有可比性，在設計之初保證2種系泊方式的垂向力相同，平臺初始重心垂向位置均為（0, 0, -68.3）。最終選取的設計方案為：導鏈器高度為-73m，系泊線數量為12根，系泊系統布置形式為3組4根，系泊線組內夾角為5°，2種系泊方式的系泊半徑均為1900m。2種系泊線參數見表4，2種系泊方式數值計算模型見圖6。

表4 半張緊式系泊線和張緊式系泊線參數

圖6 2種系泊方式數值計算模型

3 SPAR平臺張緊式與半張緊式系泊方式性能比較

3.1 完整系泊條件2種系泊方式波頻及低頻計算結果

在8個浪向、2種系泊方式下SPAR平臺水平位移的波頻及低頻極值結果統計見表5和圖7。平臺的其他4個自由度（垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖）的運動幅值與縱蕩和橫蕩相比非常小，限于篇幅，在此不予列出。

表5 2種系泊方式下SPAR平臺縱蕩和橫蕩波頻及低頻極值結果統計 單位：m

圖7 SPAR平臺在半張緊式系泊和張緊式系泊方式下的波頻及低頻結果統計

由以上結果可知：在2種系泊方式中，縱蕩及橫蕩低頻分量均占主要部分，且張緊式系泊系統對應的低頻分量遠遠小于半張緊式系泊系統；而2種系泊方式對平臺水平位移波頻分量幾乎沒有影響。因此，當SPAR平臺在波浪中運動時，平臺的慢漂運動以橫蕩和縱蕩為主要的運動方式，波頻力的影響遠小于慢漂力。

3.2 半張緊式系泊系統和張緊式系泊系統系泊線受力

采用數值計算方式，完成對百年一遇的海況及3種條件下SPAR平臺系泊系統的時域耦合分析，得到平臺運動響應及系泊張力等結果；同時，將其與規范相對比，校核平臺及系泊系統在各種工況下的安全特性。南海目標海域百年一遇的海況下8個浪向對應的系泊線張力計算結果見表6。

表6 2種系泊方式下不同浪向角對應的系泊線張力計算結果

由表6可知，半張緊式系泊系統系泊線的張力極值均大于對應的張緊式系泊系統系泊線的張力極值。

3.3 半張緊系泊系統和張緊式系泊系統運動情況

在完整系泊條件下，SPAR平臺采用張緊式系泊系統和半張緊式系泊系統在2種海況中的水平運動軌跡見圖8，其中：粗實線部分為采用張緊式系泊系統時在不同浪向下以平衡位置為初始位置穩定區域的3h的運動軌跡；其余線條所示為采用半張緊式系泊系統在不同浪向下以原點為初始位置3h的運動軌跡。

計算系泊系統在完整系泊、不同浪向角下2種系泊方式的水平位移情況，張緊式系泊系統的水平位移為30.04m，半張緊式系泊系統的水平位移最大值為73.71m，可見張緊式系泊系統的水平位移遠小于半張緊式系泊系統，且張緊式系泊系統可有效減小平臺水平位移半徑極值50%以上。

SPAR平臺采用張緊式系泊系統或半張緊式系泊系統其在穩定區域的軌跡均偏離環境載荷方向，采用半張緊式系泊系統時軌跡偏離的程度相比采用張緊式系泊系統時大得多，且均在一根系泊線失效的情況下偏離加大。這是由于系泊線在張緊條件下可較好地平衡風浪流載荷力矩，同時能更好地控制平臺低頻慢漂運動。

圖8 平臺3h水平運動軌跡圖

4 結 語

本文采用百年一遇的南海海況計算得到作業水深為2000m的SPAR平臺系泊系統的動力響應和平臺運動響應結果，發現系泊系統受力呈明顯的低頻特性，波頻分量基本上無變化。對采用2種系泊方式的SPAR平臺水平位移軌跡進行疊加處理，在相同工況下對比平臺的運動響應，結果表明，在各浪向下SPAR平臺采用張緊式系泊系統的水平偏移遠小于采用半張緊式系泊系統的相應值。張緊式系泊系統抵抗環境載荷的能力更強，能更好地控制SPAR平臺的低頻慢漂運動。

1) SPAR平臺在2種系泊方式下橫蕩及縱蕩運動過程中，其低頻分量占主導地位。張緊式系泊系統對應的低頻分量遠小于半張緊式系泊系統。

2) 在南海百年一遇的海況下，在保證SPAR平臺的初始垂向位置一致（即半張緊式系泊和張緊式系泊的垂向力相同）的情況下，半張緊式系泊系統的張力極值普遍大于對應的張緊式系泊系統的張力極值。

3) 在分析SPAR平臺的位移情況時，由于張緊式系泊系統可在較好地平衡環境載荷力矩的同時更好地控制低頻慢漂運動，因此張緊式系泊系統對應的軌跡偏離較半張緊式系泊系統小得多，且均在一根系泊線失效的情況下偏離加大。

4) 在不考慮系泊系統經濟效益的情況下，合理的張緊式系泊系統更適用于在深水作業的SPAR平臺。