淺水浮式平臺多點系泊系統適用性研究

余 驍，雷 慧，王 允

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著國家海洋強國戰略的實施以及海上油氣資源的開發，與常規FPSO或采油平臺相配套的其他船型浮式平臺將被應用于淺水海域。我國渤海地區有豐富的油氣資源，到目前為止，探明地質儲量6億噸，但大部分為淺水油田[1]。在渤海海域，通常采用軟剛臂單點系泊裝置對FPSO進行系泊。與單點系泊比較，多點系泊不需要復雜的機械，也不需要流體旋轉接頭，可實現國產化，系統工程投資顯著降低，非常適用于FPSO，以實現小型或邊際油田的經濟性開發[2]。多點系泊系統通常用于環境條件較為溫和的海域，在西非和印尼海域，有部分FPSO采用多點系泊系統。在我國海域，還沒有FPSO采用多點系泊的工程案例。隨著多點系泊技術的發展，出現了多種不同型式的多點系泊系統。

目前，水深1 500 m以內的半潛平臺大多采用鋼制懸鏈線多點系泊進行定位，但對于淺水海域，由于水深較淺，由系纜自身質量形成的懸鏈線效應不明顯，較難提供足夠的回復力。淺水海域使用懸鏈線式系泊，需要較長的系泊鏈以防止錨上出現上拔力，占用的海域面積較大。近年來，合成纖維纜開始作為浮式結構物的永久系泊系統使用，并因其具有強度質量比大、彈性好、成本低等優點，已廣泛代替了錨鏈和鋼絲繩[3]。合成纖維纜一般用在超深水平臺上，可以有效減小系泊纜自身重量，目前還沒有在淺水中應用。本文以擬作業于渤海海域的某船型浮式平臺為例，設計2種不同型式的多點系泊系統，對比分析二者的系泊性能，從系泊性能的角度研究多點系泊系統在淺水中的適用性，為淺水船型浮式平臺系泊系統的設計提供參考。

1 浮式平臺主尺度和環境條件

1.1 平臺主尺度

以某船型浮式平臺為例進行說明，浮式平臺主要尺度參數見表1。

表1 浮式平臺主要尺度參數Tab. 1 Main dimensions of the floating platform

1.2 環境條件

海洋環境條件見表2。選用JONSWAP波浪譜，譜峰因子根據計算選取。

表2 海洋環境條件Tab. 2 Environment conditions

選擇JONSWAP海浪譜，公式如下：

2 浮式平臺系泊方案

2.1 懸鏈式系泊

懸鏈式系泊系統的系泊纜采用鋼纜-聚酯纖維-鋼纜三段式，中段采用質量較輕的高強度聚酯纖維，兩端采用耐磨的鋼絲繩。為了增強懸鏈效應，優化系泊纜特性，在系泊纜上相應位置使用配重以加深懸鏈線輪廓。通常情況下，懸鏈式系泊中的系泊纜會采用錨鏈或錨鏈與鋼纜組合。當水深較深時，為減小錨鏈重量，增加浮體載重量，才會采用質量更輕強度更大的聚酯纖維纜。在淺水海域，由于水深較淺，大部分系泊纜是直接臥于海床上，并沒有起到懸鏈的作用，此時主要考慮系泊纜的張力特性，由于聚酯纖維纜軸向剛度小，受力特性更好，故將系泊纜設計為三段式。為保證錨基不承受上拔力，設計單根系泊纜長度305 m，系泊半徑298.5 m。系泊系統采用18根系泊纜，分為6組，系泊纜編號如圖1所示。由于船型平臺橫向載荷明顯大于縱向載荷，系泊纜主要承受橫向載荷，故將系泊纜按照圖1所示布置，系泊纜1與水平方向夾角為85°，每組纜繩間夾角為5°。橫向布置的系泊纜主要作用是抵抗橫向載荷和控制浮體橫向位移，縱向系泊纜主要作用是限制浮體縱向位移，縱向載荷相對較小。配重1距離船體導纜孔20 m，配重2距離配重1為30 m，配重為正方體高強度混凝土，邊長3 m，水中凈重為40.5 t。系泊纜的主要物理參數如表3所示。

圖1 計算模型俯視圖Fig. 1 Vertical view of the calculation model

圖2 計算模型側視圖Fig. 2 Side view of the calculation model

表3 系泊纜材料屬性Tab. 3 Mooring rope material properties

2.2 張緊式系泊

張緊式系泊系統的系泊纜也采用鋼纜-聚酯纖維-鋼纜三段式。張緊式系泊系統由于系泊纜質量輕和預張力的作用，在系泊初始時刻系泊纜處于張緊狀態。系泊纜與水平面的夾角和預張力大小直接影響到系泊系統的總體性能[4]。張緊式系泊系統也采用18根系泊纜，分為6組，對稱布置于浮體上，系泊纜與水平方向夾角與懸鏈式相同，單根系泊纜長度116 m，系泊半徑112 m。系泊纜與海床的夾角需盡可能小以提供較大的水平回復力，本方案中系泊纜與海床夾角為15°。系泊纜布置如圖3和圖4所示，系泊纜的主要物理參數如表4所示。

圖3 計算模型俯視圖Fig. 3 Vertical view of the calculation model

圖4 計算模型側視圖Fig. 4 Side view of the calculation model

表4 系泊纜材料屬性Tab. 4 Mooring line material properties

3 多點系泊系統性能計算

3.1 系泊系統的設計校核準則

系泊系統主要功能是保證浮體在允許范圍內運動，其設計需滿足規范要求：

1）工作海域百年一遇的最大水平位移需控制在30%的水深范圍內[4]；

2）完整纖維材料張緊式系泊系統的系纜張力安全系數應大于1.83，一根系纜破斷后的張力最小安全系數為1.38[5]；

3）為避免系纜受壓和摩擦破壞，纖維材料系纜上最小張力應大于5%～10%破斷強度[5]。

3.2 時域運動方程

綜合考慮風、浪、流以及系泊系統回復力的聯合作用，浮式平臺時域運動方程[6-8]為：

式中：M為浮體的質量矩陣；A（∞）最大計算頻率對應的附加質量矩陣；r（t）為輻射阻尼的脈沖響應函數矩陣；D為浮體慢漂阻尼矩陣；K為浮體靜水回復力剛度矩陣；F（1）（t），F（2）（t）分別為一階、二階波浪載荷；FW（t），FC（t）分別為風流載荷；FM（t）為系泊系統提供的回復力。

在不規則波浪下，作用于結構物上的瞬時波浪力可以寫為：

式中：η（τ）為海浪隨機波面升高的時域歷程；h（t）為脈沖響應函數，由一階波浪力傳遞函數通過傅里葉變換得到，即

根據整個頻率范圍內的fw（ω），即可按上式求得h（t），然后按波浪時歷η（τ），根據式（3）求得一階波浪力。

F（2）（t）為二階波浪力，Aj，Ak為雙色波幅值，ωj，ωk為雙色波的不同頻率，εj、εk為隨機相位角，和分別為頻域內FPSO在不同浪向不同頻率下的二階差頻波浪載荷傳遞函數的實部和虛部。

3.3 計算工況

對于本浮體，作業工況和自存工況排水量不變。多點系泊系統不具有風向標效應，浮式平臺橫向載荷明顯大于縱向載荷，所以在設置計算工況時，重點考慮橫向的風、浪、流條件，由于篇幅有限，僅選擇部分典型風、浪、流組合工況進行計算，百年一遇自存工況風、浪、流組合見表5。風、流載荷計算參考OCIMF[9]中關于FPSO風、流載荷的計算方法。

表5 風、浪、流方向組合Tab. 5 Direction combination of the wind、wave and current

3.4 計算結果及分析

3.4.1 平臺運動頻響

平臺在微幅波作用下做六自由度運動，在線性化假定條件下，平臺運動響應幅值與入射波幅值之比即為頻率響應函數，頻響與平臺的主尺度和線型有關，是平臺的固有屬性。分別以180°，135°和90°為入射角，計算3個方向上浮式平臺的頻響，結果如圖5～圖8所示。

圖5 平臺橫搖頻響Fig. 5 Roll RAO of the platform

從結果來看，平臺橫搖峰值較大，橫搖峰值對應的周期為9.66 s，說明平臺阻尼偏小，而且平臺固有周期與百年一遇波浪的譜峰周期較為接近，橫搖性能較差，需要改善。從縱蕩頻響可以看出，低頻時縱蕩頻響幅值明顯大于高頻，浮體低頻效應顯著。

3.4.2 平臺運動計算結果

圖6 平臺縱搖頻響Fig. 6 Pitch RAO of the platform

圖7 平臺縱蕩頻響Fig. 7 Surge RAO of the platform

圖8 平臺垂蕩頻響Fig. 8 Heave RAO of the platform

時域計算可以得到浮式平臺六自由度運動的時歷曲線，風、浪、流均為90°時，平臺的運動幅度最大，懸鏈線系泊方式下平臺橫蕩和垂蕩運動時歷曲線如圖9～圖10所示。張緊式系泊狀態下平臺橫蕩和垂蕩運動時歷曲線如圖11～圖12所示。計算結果表明，在百年一遇的環境條件下，風、浪、流同為90°時，平臺運動位移最大。

圖9 平臺橫蕩曲線Fig. 9 Sway curve of the platform

圖10 平臺垂蕩曲線Fig. 10 Heave curve of the platform

圖11 平臺橫蕩曲線Fig. 11 Sway curve of the platform

圖12 平臺垂蕩曲線Fig. 12 Heave curve of the platform

由表6可知，對于懸鏈式系泊系統，在完整工況下，平臺的最大偏移幅值為8.32 m，為水深的26%；1根系泊纜破斷的情況下，平臺各項運動與完整工況相比，變化不大，平臺最大偏移幅值為9.10 m，為水深的28.4%，小于規范要求的30%[4]，即平臺運動幅度滿足規范要求，不過平臺運動幅度仍然相對較大。由表7可知，對于張緊式系泊系統，無論是完整工況還是1根系泊纜破斷的情況，平臺平動幅度均相對較小，而橫搖幅值較大，比較危險。

表6 懸鏈式系泊運動計算結果Tab. 6 The caculation results of the motion for catenary mooring system

3.4.3 系泊纜張力計算結果

在百年一遇的環境條件下，系泊纜完整狀態和一根系泊纜破斷的情況下各個系泊纜受力情況如表8和表9所示。由于系泊纜分為幾段，聚酯纖維和鋼纜的破斷強度不同，其安全系數需分別表示。系泊纜編號1-2表示1號系泊纜第2段，即聚酯纖維段。

表7 張緊式系泊運動計算結果Tab. 7 The caculation results of the motion for taut mooring system

表8 懸鏈式系泊纜張力計算結果（kN）Tab. 8 The caculation results of the mooring line tensions for catenary tpye

由計算結果可知，對于懸鏈式多點系泊系統，無論是完整工況還是1根纜破斷的情況，系泊纜上的張力均相對較小，滿足規范要求，而張緊式多點系泊系統的系泊纜張力均較大，已超過系泊纜的承受能力，系泊纜張力不滿足規范要求。當1根系泊纜破斷時，與之相臨的2根系泊纜張力會顯著增大，而其他系泊纜張力變化不大，甚至會相應減小。在選擇不同系泊纜材料時，材料的破斷強度盡量相近，否則安全系數可能相差較大。在2種系泊方式下，13-18號系泊纜上的張力均相對較小。13-18號系泊纜的主要作用是控制平臺的縱向位移，若不設置這些系泊纜，在工況3～工況5中，平臺縱向位移均超過規范要求的范圍。

表9 張緊式系泊纜張力計算結果（kN）Tab. 9 The caculation results of the mooring line tensions for taut type

4 結 語

采用AQWA軟件，在頻域范圍內計算了船型浮式平臺的運動響應，隨后對懸鏈式和張緊式多點系泊系統的系泊性能進行了多種風、浪、流組合工況的時域耦合計算，得到了平臺的六自由度運動時歷和各系泊纜上的張力。對計算結果進行分析，得到以下主要結論：

1）張緊式系泊系統浮體平動位移相對較小，橫搖幅值和各系泊纜張力較大，系泊纜張力不滿足規范要求。若要使用張緊式系泊系統，需增大系纜破斷強度和錨基抗拔力，實現難度較大；

2）懸鏈式系泊系統浮體平動位移相對較大，但是橫搖幅值和系纜張力均相對較小，浮體運動幅度和系纜張力均滿足規范要求。懸鏈式多點系泊系統對于淺水船型浮式平臺是可行的，不過浮體的水平位移仍然需要重點關注；

3）無論是張緊式還是懸鏈式系泊，當一根系泊纜破斷時，與之相臨的兩根系泊纜張力會顯著增大，而其他系泊纜張力變化不大，甚至會相應減小，平臺運動幅度變化不大。

對于在淺水海域使用的船型浮式平臺，懸鏈線多點系泊可以滿足使用要求，工程投資較小，經濟性較好，而且技術簡單可靠，但懸鏈線較長、系泊半徑較大，占用海域面積大，對通航有一定影響。