基于數(shù)值模擬的浮式平臺系泊研究

趙江達(dá)

（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(tǒng)以及錨固基礎(chǔ)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(qū)域；平臺下體在水面以下，為平臺提供浮力[1]。平臺巨大的預(yù)張力使得平臺在平面內(nèi)的運動（橫蕩、縱蕩、首搖）為順應(yīng)性，平面外的運動（橫搖、縱搖、垂蕩）則近似剛性。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 浮式平臺總體布置圖（側(cè)視圖）

本文以某深水浮式平臺為研究對象，結(jié)合某場地條件，對浮式的碼頭系泊技術(shù)進行研究，初選出L型和I型方案作為目標(biāo)方案。針對所提出的目標(biāo)方案，采用數(shù)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(xì)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(shè)計應(yīng)遵循以下原則：（1）使系泊纜的布置盡量關(guān)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(cè)；（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(xì)；（6）保持相同功能的纜繩粗細(xì)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(shè)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(dāng)風(fēng)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(huán)境載荷見表1。

考慮到在一般工況下平臺受到的環(huán)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(shè)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(shè)置一個浮箱。在前后兩側(cè)，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(huán)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(shù)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(zhì)量，單位為kg；Bij為阻尼系數(shù)；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(zhì)量矩陣；cij為船舶的靜回復(fù)力系數(shù)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(shù)只與船舶的幾何參數(shù)有關(guān)，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(yīng)，該響應(yīng)成為平臺的相應(yīng)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(biāo)。

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(shè)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(guān)系不大，為節(jié)省計算資源，計算中忽略了平臺在垂蕩方向上運動。將頻域?qū)⒂嬎愕贸龅母∈狡脚_附加質(zhì)量，阻尼系數(shù)、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(nèi)的慢漂運動響應(yīng)。此外，由于平臺的首搖慣性矩遠(yuǎn)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(yīng)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(jù)平臺受到的定常漂移力計算結(jié)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(fēng)和流載荷匯總后，總載荷的估算結(jié)果表2所示。

表2 總環(huán)境載荷計算表

3 結(jié)語

以某浮式平臺為對象，對平臺的碼頭系泊技術(shù)進行研究。結(jié)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(shù)值模擬，歸納了外界環(huán)境載荷及系纜力的數(shù)值模擬計算方法；根據(jù)生產(chǎn)場地的具體型式，給出兩種系泊型式及多種系泊方案，并優(yōu)選出最為合理的系泊方案[3]。