深水大型浮臺系泊系統(tǒng)水動力計算分析

王 領，劉生法

（廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250）

1 引言

發(fā)展海洋經(jīng)濟、建設海洋強國均離不開海洋信息的獲取，這就需要建立可靠的信息監(jiān)測系統(tǒng)。深海浮標是一種載有各類探測傳感器和監(jiān)測儀器的海上觀測平臺[1]，它可以在海上進行定點（或組網(wǎng)）的長期連續(xù)觀測，為海洋環(huán)境預報、海洋漁業(yè)、航海運輸、執(zhí)法維權、海洋科學研究以及海洋開發(fā)提供實時的海洋信息。

我國目前布設的大型浮標數(shù)量較少，功能相對單一，布放區(qū)域僅為近岸沿海地區(qū)，未覆蓋到遠海、深海區(qū)域。雖然已經(jīng)開展了深海浮標的研究[2～5]，但是尚未開發(fā)和部署深水大型浮標。大型浮標可以搭載更多觀測和監(jiān)測儀器設備，應用范圍更廣。將海洋工程系泊技術應用到深海大型浮標上，可以顯著提高其環(huán)境適應性和安全性。本文選擇某大型浮臺，對其深海系泊型式進行研究，對系泊纜組成以及長度進行優(yōu)化，并采用水動力計算軟件論證其深水系泊的安全性及可靠性。

2 研究方法

本文采用AQWA和OrcaFlex軟件對深水浮臺系泊系統(tǒng)進行水動力分析。AQWA和OrcaFlex軟件是業(yè)內先進的海洋工程水動力計算和系泊分析軟件，可以對錨泊系統(tǒng)、海洋工程立管系統(tǒng)、水下軟管和安裝等進行分析。OrcaFlex是一個全3D的非線性時域仿真程序，能夠較好處理結構動力學問題。

根據(jù)選定的海洋環(huán)境條件，對系泊系統(tǒng)的運動及受力進行分析。主要的研究路線如下：

（1）建立大型浮臺等系泊系統(tǒng)的模型；

（2）采用AQWA進行前期數(shù)據(jù)處理和建模，首先將模型數(shù)據(jù)導入，然后利用AQWA-LINE模塊進行靜水力分析、規(guī)則波下波浪載荷和系統(tǒng)響應的計算，以及頻域條件下一階波浪力和二階平均漂力的計算；

（3）將AQWA-LINE的計算結果導入OrcaFlex進行系泊纜繩和浮臺的時域耦合運動分析，仿真在不規(guī)則波下浮臺以及系泊纜繩的實時運動，得到纜繩張力及浮臺運動的時歷變化曲線；

（4）對OrcaFlex計算得到的時歷結果進行統(tǒng)計分析，判斷系泊方案可行性及系泊安全性。

3 系泊系統(tǒng)方案

3.1 環(huán)境條件

本文研究的浮臺系泊系統(tǒng)用于南海海域，水深約1 530 m，選取100年一遇的環(huán)境條件作為安全自存的工況。波浪譜采用JONSWAP譜，選取的主要環(huán)境條件見表1。

表1 主要的環(huán)境條件

3.2 大型浮臺主尺度參數(shù)

浮臺示意圖以及相關尺寸見圖1和表2。該浮臺尺度較大，但其水線面較小，僅為三個支柱的面積。

圖1 浮臺示意圖

表2 浮臺主尺度

3.3 系泊系統(tǒng)方案

浮臺系泊系統(tǒng)在淺水中一般采用純錨鏈系泊；在深水中由于錨鏈重量過重，不僅顯著增大導纜器的拉力，還會增加浮臺吃水，大大降低浮臺有效載荷。為了減輕自身重量，宜采用組合纜系泊，除首尾部仍然采用錨鏈外，中間段通常采用鋼纜或者纖維纜。

鋼纜具有較高的抗拉強度、抗疲勞強度，但自身重量比較重且彈性較低。實驗表明，在負荷為其破斷強度的一半時，鋼絲繩的伸長率約為1% 。鋼絲繩的低彈性特點，使其在動力負荷較大的系泊系統(tǒng)中極易產生較大的峰值載荷。

纖維纜重量輕，主要有尼龍纜、聚酯纜、高模聚乙烯等。本文選用聚酯纜作為系泊系統(tǒng)的組成部分。聚酯纜材料為高韌性聚酯復絲纖維，熔點為256°，冷水下幾乎不收縮，吸水率低、耐磨性好、彈性適中，當載荷為其破斷強度的一半時，伸長率約為7%。聚酯索在干燥和受潮下強度都很高，具有良好的耐磨損性能，在交變載荷下也不會很快喪失強度。由OCIMF主持的試驗表明，在交變載荷下聚酯比尼龍的耐久性高190倍、比聚丙烯高570倍。在浮臺系泊系統(tǒng)中，要求纜繩具有較高強度和耐久性，因此纖維纜繩選擇聚酯纜。

考慮到系泊鏈的重量對浮臺的重心有較大影響，因此在與浮臺連接處的系泊鏈不宜過長；同時為減小底部躺地鏈的長度，達到更好的系泊效果，本文在底部使用配重來增加系泊系統(tǒng)的恢復力。

綜上所述，本系泊系統(tǒng)方案采用V型鏈式系泊系統(tǒng)，由浮臺、系泊纜、配重和錨固基礎組成：系泊纜采用組合纜由三段組成。第一段采用R3系泊鏈、直徑73 mm；第二段采用直徑128 mm的聚酯纜或者84 mm鋼纜；第三段采用R3系泊鏈、直徑95 mm。配重位于第三段系泊鏈中間，采用方形混凝土塊結構，重量為115 t；錨固基礎采用可翻轉的大抓力錨。系泊系統(tǒng)布置圖，如圖2所示。

圖2 深水浮臺系泊系統(tǒng)布置

3.4 系泊系統(tǒng)方案對比

對兩種組合纜的方式以及有無配重進行風浪流同向下百年一遇工況的分析計算，其結果對比見表3。

表3 系泊纜張力對比

從表3可以看出：同等強度下聚酯纜方案的系泊張力明顯降低，系泊性能明顯優(yōu)于鋼纜方案，同時躺地段長度較長、安全性更好；增加配重，首系泊鏈、聚酯纜的張力有所提高，但尾系泊鏈的張力有所下降，同時躺地段的長度明顯增長。因此本系泊系統(tǒng)選用聚酯纜和系泊鏈組合，增加配重。

4 系泊系統(tǒng)安全性分析

對設計壽命周期內的初期和末期浮臺系泊系統(tǒng)進行了一年一遇和百年一遇的水動力分析，以評估系泊系統(tǒng)的安全性。由于該系泊系統(tǒng)上部使用V型鏈設計，各海況計算分析中的風浪同向且取不同的環(huán)境載荷方向而流向固定。

4.1 設計壽命初期計算分析

本系泊系統(tǒng)由于是單點系泊，在環(huán)境力作用下容易發(fā)生縱蕩和橫蕩，且這兩個指標對浮臺的工作狀態(tài)以及安全性沒有特別影響，因此本文僅考核浮臺的垂蕩、橫搖和縱搖位移。其浮臺運動的計算結果見表4（統(tǒng)計結果為有義值），系泊纜張力結果見表5。

表4 設計壽命初期浮臺位移情況

表5 設計壽命初期系泊纜張力

從表4可以看出，在百年一遇工況下，浮臺的垂蕩達7.25 m、橫搖19.58°、縱搖9.32°。根據(jù)規(guī)范要求[6]，采用動力分析方法進行計算分析時，系泊纜安全系數(shù)應大于1.67。從表5可知，Φ73 mm錨鏈最大張力為1 216 kN、安全系數(shù)為2.52；聚酯纜最大張力為1 798 kN、安全系數(shù)為3.06；Φ95 mm錨鏈最大張力為1 014 kN、安全系數(shù)為4.07。由此可知，該系泊系統(tǒng)設計滿足規(guī)范要求。

4.2 設計壽命末期計算分析

系泊系統(tǒng)設計壽命為20年，在設計壽命末期應考慮系泊鏈的腐蝕，R3系泊鏈按直徑每年減少0.3 mm考慮。本文采用如下數(shù)值進行百年一遇典型工況的末期校核計算：第一段采用R3系泊鏈、直徑66 mm；第二段采用聚酯纜、直徑128 mm；第三段采用R3系泊鏈、直徑87 mm。

表6 設計壽命末期系泊纜張力

從表6可以看出，在設計壽命末期，Φ73 mm錨鏈最大張力為1 263 kN、安全系數(shù)為1.89；聚酯纜最大張力為1 952 kN、安全系數(shù)為2.28；Φ95 mm錨鏈最大張力為1 188 kN、安全系數(shù)為3.23。由此可知，安全系數(shù)均大于1.67，滿足規(guī)范要求。由于考慮障了系泊鏈的腐蝕余量，重量明顯變輕，因此躺地鏈的長度明顯變短。

5 結論

本文采用OrcaFlex對深水浮臺系泊系統(tǒng)進行了水動力計算分析，并得到如下結論：

（1）浮臺一般具有小水線面，在系泊系統(tǒng)設計中應考慮系泊鏈對其重心的影響；

（2）聚酯纜與鋼纜、錨鏈相比，重量輕、彈性大，在深水系泊中可以有效減小系泊纜重量、降低系泊纜受力；

（3）配重可以提高系泊系統(tǒng)的恢復力，但是在設計過程中應同時考慮配重對系泊系統(tǒng)的安裝影響。