半潛平臺碼頭臨時系泊方案設計

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

常規深水油氣開發設施有浮式生產儲油裝置(FPSO)、張力腿平臺(TLP)、半潛平臺(SEMI)及深吃水立柱平臺(SPAR)等[1]，目前國內已經可以完成FPSO及半潛平臺這2種浮式結構物設計建造工作，以半潛平臺作為研究對象，針對其碼頭調試期間臨時系泊問題，通過現場調研、數值模擬等方式，探索常規海況及極限海況下利用現有資源進行半潛平臺系泊方案設計的方法，對其中的風險進行預判，制定應對措施。

1 設計基礎

與常規船舶碼頭系泊相比，半潛平臺碼頭系泊具有特殊性：①平臺各個方向受風面積均較大，對纜繩布置要求更高[2]；②平臺靠岸一側立柱或者旁通上可能存在設備結構，不能直接與碼頭相靠，需要設置隔離駁等防撞設施；③如果平臺調試時間較長且不具備錨地避臺條件，需要特別設計平臺碼頭避臺方案，制定應急措施。

半潛平臺船體信息見表1。

目前系泊碼頭水深為8.5 m，通過現場調研確認碼頭岸吊與半潛平臺系纜區域有干涉，實際作業時需進拆除移位。

針對半潛平臺臨時系泊期間設計抵御環境條件能力，考慮風速、波高、流速3方面因素。根據海域論證使用報告書，由于海西半島掩護，外海波浪不能直接傳入海西灣，只能折射或者繞射進入，進入灣內的波浪最大波高H1/10為1.2～1.4 m。碼頭附近輪渡站流速為0.4 m/s，風速需要綜合考慮常規風速下作業系泊需求及極限工況下抗臺系泊需求，選取這2個典型工況進行設計分析。半潛平臺臨時系泊環境條件見表2。

表1 半潛平臺船體基本信息 m

表2 臨時系泊環境條件

半潛平臺碼頭臨時系泊方案主要分為4個部分。

1)碼頭系泊能力評估及需求。

2)常規海況及極限海況臨時系泊方案設計。

3)臨時系泊系統所需設備或設施需求。

4)現場施工操作建議。

根據項目設計需求及場地概況，整理設計流程見圖1。

圖1 半潛平臺臨時系泊方案設計流程

2 設計原理

2.1 環境載荷計算

2.1.1 波浪載荷

波浪為不規則波，時域下一階波浪力可以表示為

(1)

式中：h1(τ)為線性脈沖函數；ζ(t-τ)為波浪的自由液面。

由輻射勢引起的波浪力在時域中可按下式表示[3]。

(2)

式中：卷積*表示t時刻前由結構物運動引起的波浪運動產生的波浪力記憶效應；ξ為物體運動；R(t)稱為時延函數，其與輻射勢頻域解關系為

(3)

式中：C(ω)為波浪阻尼系數。

2.1.2 風載荷

采用國際海事論壇OCIMF推薦的風力公式，通過風洞試驗數據獲取風力系數計算風載荷，如式(4)～(6)所示[4]，將軟件風力計算結果與風洞實驗結果進行對比，利用模型實驗結果對軟件模型各方向輸入風力系數進行校正，保證軟件風力計算值與實驗相一致。

(4)

(5)

(6)

式中：CXW、CYW為X、Y方向上風力系數;CXYW為風力矩系數;VW為風速；AT、AL和LBP分別為船舶橫向受風面積，縱向受風面積和垂線間長。

2.1.3 流載荷

利用風洞試驗結果對軟件模型計算的流載荷進行數據修正，流載荷計算為

(7)

(8)

(9)

式中：CXC、CYC為X、Y方向流力系數；CXYC為流力矩系數；VC為流速；T為船體吃水。

2.2 系泊纜計算模型

半潛平臺船體在風浪流等環境力作用下發生運動，系泊纜繩受船體運動影響發生變形產生張力，纜繩張力與變形關系并非簡單線性關系，采用Wilson公式進行計算[5-6]。

(10)

式中：CP為彈性系數；d為纜繩直徑；ε為纜繩應變；m為指數。

2.3 橡膠護舷模擬

船體與隔離駁之間通過橡膠護舷壓縮吸能降低兩者碰撞力，保護船體結構，橡膠護舷剛度具有非線性，見圖2。

圖2 隔離駁橡膠護舷剛度

橡膠護舷受力由下式計算[7]。

(11)

式中：K為護舷彈性系數；ΔL/L為護舷相對變形。

3 臨時系泊方案設計方案

由于碼頭海域內波高及流速較小，半潛平臺運動及受力主要受風載荷影響，根據風速將臨時系泊方案劃分為常規方案(6～8級風)及極限方案(10～12級風)。常規方案下需要在系泊中間區域預留一定操作空間，便于碼頭設備機械出入調試，風速增加時，各方案纜繩布置需保持連續性，通過增連纜繩抵抗惡劣環境條件，降低操作風險。取6級風及12級風2個典型方案進行分析。

半潛平臺臨時系泊坐標系及環境情況見圖3，BCS為碼頭地錨坐標系，水平原點X及Y軸位于最左端A系纜柱中心處，垂向原點始于海圖基準面，半潛平臺中心點X向距離A柱170 m，Y向為59.87 m，船體坐標系HCS原點位于船底形心處。

圖3 半潛平臺臨時系泊坐標系及環境情況示意

碼頭前沿系纜柱除A柱安全工作載荷SWL為2 000 kN外，其余纜繩所連接碼頭前沿系纜柱安全工作載荷為1 000 kN，碼頭后沿所有系纜柱安全工作載荷均為2 000 kN。

3.1 半潛平臺臨時系泊常規方案(6級風)

常規海況臨時系泊方案見圖4，共連接13根纜繩，采用超高分子量聚乙烯I型纜繩，參數見表3。

表3 臨時系泊纜繩參數

圖4 常規海況臨時系泊方案(6級風)

6級風速下破斷風險可控，僅統計完整狀態下不同流向及高低潮位受力最大值，受力結果見表4。

表4 常規海況下纜繩受力最大值統計(6級風)

由表4可知，6級風速下，該方案纜繩受力較小，纜繩受力最大值僅為401.8 kN，約為10%破斷力，系泊方案滿足規范要求[8]。

3.2 半潛平臺臨時系泊極限方案(12級風)

以6級風速下臨時系泊方案作為基本方案，隨著風速增加，系泊方案所需纜繩隨之增加，方案設計中避免在高風速下解脫纜繩操作，因此,每個風級系泊方案在前方案基礎上增連系泊纜，保障施工安全，見圖5，12級風速下臨時系泊方案共系有19根纜繩，各風級對應的纜繩變化可見。

圖5 半潛平臺臨時系泊極限方案(12級風)

模擬臨時系泊極限海況方案見圖6。

圖6 極限海況臨時系泊計算模型

隔離駁由于尺寸及受力較小，并由現場系泊于其他系纜柱上(圖中未體現)，可在軟件中進行簡化處理，模擬為僅受壓非線性彈簧。在離岸風環境下，風從平臺陸地一側吹來，波浪作用并不明顯，而沿岸風對系泊纜繩影響最大[9-10]，碼頭由于半島遮蔽，同時碼頭沿線建造時平行于波流方向，計算中將風向作為主控因素進行360°全范圍輸入，將波浪和海流簡化處理為0°和180°方向，計算統計完整工況及破斷工況纜繩最大受力見表5。

完整工況下纜繩最大受力為1 490 kN，破斷工況下纜繩最大受力為1 823 kN，安全系數均滿足規范要求。表5中數據顯示纜繩MR10受力較大，該編號纜繩長度較短，同方向纜繩在船體運動拉伸作用下伸長率更高，故受力較大，設計中應盡量避免在受力較大纜繩方向上布置短纜繩。

極限海況下除了需要校核纜繩及受力系纜柱受力之外，為保證系泊安全，還需評估平臺觸底風險、隔離駁與立管保護架碰撞風險。通過定義各立柱角陽極最低點位置，在時域計算中統計其最低點，獲取船底與海底泥面最小間隙，垂向間隙觀察點位置見圖7。

表5 完整工況及破斷工況纜繩最大受力(12級風)

圖7 各立柱角垂向間隙觀察點位置

正浮靜止狀態下，各個立柱角陽極最低點位置為-10.45 m(BCS坐標系)，統計360°風向作用下動力計算各點最低位置見表6。

表6 動力計算立柱角陽極最低點位置統計(正浮)

表6數據顯示,立柱北側在風力作用下傾斜角度較大，西北側立柱最低點為-14.8 m，碼頭預計清淤水深15.5 m，僅由0.7 m間隙，為增加船底與海底泥面凈間隙，通過對比計算，可以在臺風來臨前調整船體浮態，使平臺繞水線面W-E軸線逆時針旋轉0.3°，見圖8。

圖8 臺風狀態下船體浮態調整示意

調整浮態后，統計360°風向作用下動力計算各點最低位置見表7。

表7 動力計算立柱角陽極最低點位置統計(傾斜)

統計顯示，通過預調整船體浮態，可以有效增加船底與海底間隙，保障系泊安全。

在隔離駁與船體接觸靠近立管保護架一側定義水平運動觀察點，見圖9。

圖9 水平觀察點位置示意

時域計算水平觀察點與立管保護架最小水平間距結果見表8。

表8 水平觀察點與立管保護架最小水平間距

隔離駁與立管保護架水平間隙時域計算結果最小值為4.73 m，滿足安裝需求。

4 臨時系泊操作建議

半潛平臺各方向受風面積較大，碼頭臨時系泊纜繩選取及布置應與極限海況方案相匹配，從低風速方案至高風速方案變化應盡量避免解脫纜繩操作，保證各方案具有連續性。極限海況作用下針對立柱角間隙不足可以通過調整船體浮態進行改善。

針對碼頭系泊纜繩交叉可能產生磨損，可以在纜繩易摩擦位置覆蓋保護套，定期檢查更換。

潮汐變化對纜繩長度影響通常可以使用纜繩長度自適應調節設備，或使用纜繩受力監測設備及時對受力較大纜繩進行人工調整。若不具備上述條件，則需每日定時多次巡檢，通過纜繩張緊狀態及時調整纜繩長度。

半潛平臺碼頭臨時系泊設計及現場施工受限因素較多，需設計方與現場時時溝通，將理論設計與現場作業經驗反復交叉優化得到最終可實施方案。