基于數值模擬的浮式平臺系泊研究

趙江達

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266520）

浮式平臺由平臺本體、張力系統以及錨固基礎3個部分組成，平臺本體包括上體、下體和連接上下體的立柱。平臺上體位于水面以上，為工作區域；平臺下體在水面以下，為平臺提供浮力[1]。平臺巨大的預張力使得平臺在平面內的運動（橫蕩、縱蕩、首搖）為順應性，平面外的運動（橫搖、縱搖、垂蕩）則近似剛性。具體的結構如圖1所示。

圖1 浮式平臺總體布置圖（側視圖）

本文以某深水浮式平臺為研究對象，結合某場地條件，對浮式的碼頭系泊技術進行研究，初選出L型和I型方案作為目標方案。針對所提出的目標方案，采用數值模擬，對不同工況下的各方案中的系泊纜受力進行了詳細計算。

1 系泊方案的初步選擇

一般情況下，海洋平臺的碼頭系泊方案設計應遵循以下原則：（1）使系泊纜的布置盡量關于平臺對稱；（2）使橫纜盡量垂直于平臺的中縱剖面，且盡量接近舷側；（3）使倒纜盡量與平臺的中縱剖面平行；（4）盡量減少系泊纜的垂向角度；（5）所有系泊纜盡可能采用相同材料和相同粗細；（6）保持相同功能的纜繩粗細和材料相同；（7）盡量使具有相同功能的系泊纜的長度一致，以使得較短的系泊纜能吸收更多載荷[2]。

某半潛式平臺的碼頭系泊布置圖如圖2所示。該平臺由多根纖維纜與碼頭系纜樁相連，同時平臺與碼頭之間設有浮箱相隔，浮箱四周有橡膠圓筒，浮箱處的系泊方式為平臺與浮箱用纜繩相連，浮箱再與碼頭系纜樁相連。

此套布置方案的形式簡單，受力均勻，抗干擾能力強。由于缺乏浮式碼頭系泊研究案例，本研究參考了上述半潛式平臺系泊的基本形式，初步確定L型和I型兩大布置類型，當風浪流載荷的角度為45°（與x軸正方向成45°）時，平臺碼頭系泊纜繩受力最大。平臺系泊的環境載荷見表1。

考慮到在一般工況下平臺受到的環境載荷較小，對此工況下的系泊方案進行簡化，得到了兩個具體布置方案，如圖3和圖4所示。

L型方案中，在直角形碼頭的兩邊設置兩個浮箱，浮式平臺部分纜繩跨過浮箱與碼頭系泊，部分纜繩系泊于浮箱，浮箱與碼頭帶纜樁系泊。I型方案與圖4所示的半潛式平臺類似，在碼頭與浮式平臺之間設置一個浮箱。在前后兩側，浮式平臺跨過浮箱系泊在碼頭的帶攬樁上；在中部，浮箱與碼頭帶纜樁系泊，浮式平臺與浮箱系泊。

圖2 某半潛式平臺碼頭系泊布置圖

表1 環境載荷

圖3 I型方案布置圖（一般工況）

圖4 I型方案布置圖（惡劣工況）

2 基于數值模擬方法的系纜力計算

由牛頓第二定律，波浪中平臺的六自由度搖蕩運動的頻域運動方程可寫為：

式中，Aij為附加質量，單位為kg；Bij為阻尼系數；為付汝德-克雷洛夫力，單位為N；為繞射力，與付汝德-克雷洛夫力在后文中合稱為波浪激勵力，單位為N；mij為船舶的質量矩陣；cij為船舶的靜回復力系數矩陣；ω為入射波的頻率，單位為Hz；ξ為船舶的搖蕩運動位置。這些系數只與船舶的幾何參數有關，具體計算方法見參考文獻[3]。

在單位波幅入射波條件下，通過求解方程，可以獲得平臺的六自由度運動響應，該響應成為平臺的相應幅值算子（Response Amplitude Operator，RAO），該算子是表示平臺在波浪中動力性能的最主要指標。

要對平臺周圍的流場進行計算，首先必須建立平臺的幾何模型。建立的平臺三維幾何模型如圖5所示。

完成設置后，即可對平臺的基本水動力性能及運動性能進行計算。考慮到本文所研究的系泊問題與平臺的垂蕩運動關系不大，為節省計算資源，計算中忽略了平臺在垂蕩方向上運動。將頻域將計算得出的浮式平臺附加質量，阻尼系數、波浪激勵力以及每個波長每個波浪方向上的漂移力輸入AQWA-DRIFT模塊，便可計算平臺在給定波浪譜的隨機波條件下較長時間內的慢漂運動響應。此外，由于平臺的首搖慣性矩遠大于其他兩個方向的慣性矩，以此平臺首搖方向的運動幅值通常很小，本研究亦予以忽略。對剩余的縱蕩、橫蕩、橫搖、縱搖4個方向上的運動，計算得到的運動RAO和所受的定常波浪漂移力。

圖5 三維平臺幾何模型

橫搖和縱搖的運動響應隨頻率的變化尤其明顯，橫搖運動隨頻率的增大而愈加劇烈，而縱搖運動隨頻率上升呈下降趨勢；根據平臺受到的定常漂移力計算結果，橫搖和橫蕩隨頻率變化顯著，橫搖運動的定常波浪漂移力隨頻率逐步上升，橫蕩運動的定常波浪漂移力則隨頻率呈下降趨勢。

本文暫時忽略波浪載荷，將風和流載荷匯總后，總載荷的估算結果表2所示。

表2 總環境載荷計算表

3 結語

以某浮式平臺為對象，對平臺的碼頭系泊技術進行研究。結合平臺的型式和具體的場地條件，提出了幾種可行的碼頭系泊方案，作為最終碼頭系泊方案的備選方案；基于理論計算模型和數值模擬，歸納了外界環境載荷及系纜力的數值模擬計算方法；根據生產場地的具體型式，給出兩種系泊型式及多種系泊方案，并優選出最為合理的系泊方案[3]。