一种适用于深水浮式海洋平台结构的新型系泊系统设计及水动力性能分析

嵇春艳 ，元志明 ，徐 胜 ，黄 山

（1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.斯特莱思特莱德大学海洋工程学院，英国 格拉斯哥）

一种适用于深水浮式海洋平台结构的新型系泊系统设计及水动力性能分析

嵇春艳1，元志明1，徐 胜1，黄 山2

（1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.斯特莱思特莱德大学海洋工程学院，英国 格拉斯哥）

作为浮式结构最常采用的两种系泊方式，悬链式系泊和张紧式系泊皆存在不足。本文提出了一种新型系泊系统，并以一深水FPSO为例，采用完全时域耦合分析方法，对不同工作水深情况下的浮体及新型系泊系统的运动性能进行了数值模拟，并将该新型系泊系统的仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较，分析了新型系泊系统在浮体运动性能、缆索张力等方面的改善，同时探讨了该新型系泊系统的最佳工作水深。

悬链；张紧式；FPSO；质量块；耦合分析

浮式结构物在进行海上作业时为了满足其对运动性能的要求，通常需要锚泊定位系统。由于浮式海洋结构物需要在恶劣海况中作业，而且在进行油气生产时必须保证低幅运动，所以在选择定位系统时显得尤为重要。目前，应用于大型浮式结构物的锚泊系统主要有悬链线系泊系统和张紧式系泊系统。

图1 悬链线系泊系统

图2 张紧式系泊系统

然而，随着水深的增加，传统的悬链线系泊呈现出了很多缺点[1-2]。首先，悬链线系泊系统依靠自身的重力提供浮体的回复力，因此，缆索的重量通常很大，这不仅增加了制造成本，而且造成海洋平台有效承载力降低[3]。其次，悬链线系泊缆索长度一般很长，系泊半径会因此增大，这将影响管线的铺设，增大系泊基础占用的海床面积及与附近其它水下设施相碰撞的危险。除此之外，悬链线的回复刚度小，平台的偏移量较大，从而影响钻井活动的进行。鉴于悬链线系泊的这些缺点，在过去15 a中张紧式系泊系统正被越来越多的使用。张紧式系泊缆索采用的是聚合材料，其优良的特性已被诸多文献证明并应用于深水系泊[4-8]。张紧式系泊系统依靠缆索的轴向刚度提供回复力，一般情况下，聚合材料的轴向刚度很大，从而在很大程度上限制了平台的平均及低频位移，可以显著改善平台上面的工作条件[9]。张紧式系泊系统具有增加平台的有效承载能力、降低缆索动张力的幅值、系泊半径较小、安装方便及成本低等优点[10]。

尽管如此，张紧式系泊系统亦存在不足，主要有：（1）聚合材料在深海系泊领域运用较少，其材料和力学性能非常复杂，在工程设计中会采用较大的安全系数从而减小了应用过程中的优势[9]；（2）张紧式系泊缆索端部与海底成一定的夹角，因此，抛锚点将受到一个较大的垂向载荷，这对锚的垂向抗拔性能提出了很高的要求[11]。目前张紧式系泊系统使用较多的为法向承载锚或者吸力锚，这些设备技术复杂，安装成本较高。张紧式系泊系统这一缺点却正好是悬链线系泊的优点。由于本身的重力，缆索与海底有很长的接触段，从而使得抛锚点只承受水平方向的载荷，因此并不要求锚具有抵抗垂向载荷的能力。

为了弥补悬链线和张紧式系泊系统的不足，并结合这两种系泊系统的优点，本文提出一种新型系泊系统的设计概念。它以传统张紧式系泊为基础，在系泊缆索末端以一定的间距布置集中质量块，从而在缆索的末端形成悬链线，并与海底相切。此时，抛锚点只受到水平张力，从而不需要吸力锚。为了说明该新型系泊系统的有效性，并探讨该新型系泊系统的最佳工作水深，本文以一深水FPSO为例，采用SESAM软件进行数值模拟，分析了在不同工作水深情况下的浮体位移、系泊缆索的有效张力以及末端悬链线的形状，并将这些结果与采用传统张紧式系泊系统的FPSO计算结果进行比较分析。

1 新型系泊系统设计方案

图3和图4分别给出了传统张紧式系泊缆索与新型系泊缆索。

图3 传统张紧式系泊缆索

图4 新型系泊缆索

图3表明传统的张紧式系泊缆索从导缆孔至抛锚点几乎成一条直线，底部以吸力锚固定于海底，仰角为θ，底部张力由吸力锚完全抵消。图4给出的新型系泊系统表明，悬链与张紧结合式系泊缆索与传统的张紧式系泊缆索的长度及系泊半径并无差异，其区别在于：前者底部从抛锚点向上等间距布置一系列质量块，质量块的重量从抛锚点向上逐渐减小。在重力的作用下，缆索的末端呈悬链线状，并且质量块在设计时保证最靠近抛锚点的质量块不被提升而始终坐落于海底。因此，缆索张力在竖直方向的分力由质量块的重力完全抵消，当张力减小时，海床将对质量块提供支持力，从而缓解缆索张力，保证平台的有效承载力。由于系泊缆索与海底始终相切，因此它具备了悬链线系泊系统的优点，在抛锚点处，只受到水平方向的张力[12]。此外，从导缆孔至最小的质量块处，系泊缆索几乎呈一条直线，从而具备了张紧式系泊的优点。

2 浮式结构及系泊系统耦合运动控制方程

本文采用全耦合时域分析法分析浮式结构及系泊系统的运动，其耦合控制方程的时域形式可以表达为[13]：

3 数值算例

3.1 FPSO主要参数

本文以一深水FPSO作为新型系泊系统的应用数值算例，分别计算在不同工作水深下FPSO运动性能及系泊缆索的张力，并与采用传统的张紧式系泊系统的计算结果进行对比分析。FPSO的主要参数如表1所示。

表1 FPSO的主要参数

3.2 新型系泊缆索设计

3.2.1 系泊缆索描述

表2 系泊缆索的主要参数

为了充分比较新型系泊系统与张紧式系泊系统的系泊效果，新型系泊系统采用与传统张紧式系泊系统相同布置方案，平台通过12根系泊缆索系泊于固定海域，系泊缆索两端采用钢链，中间采用聚酯绳，缆索采用25°/45°/65°的角度对称布置。表2给出了缆索材料的主要参数，不同工作水深下的缆索长度见表3。

表3 不同工作水深下缆索长度

3.2.2 质量块的设计方案

在相同布置方案基础上，根据本文提出新型系泊系统的设计概念，在系泊缆索末端加设质量块（见图5）。在抛锚点以上的100 m布置了5个质量块，两个质量块的距离是20 m，其中 m1=68 t,m2=60 t,m3=55 t,m4=45 t,m5=15 t。

3.3 环境参数及工况

选用墨西哥湾百年一遇的暴风条件作为其工作海况，有义波高取12.19 m，周期14 s，入射角为90°；波浪选用Jonswap谱，风谱选用API谱，参考高度为10 m时风速41.12 m/s，方向210°；海面的流速为1.067 m/s，91.44 m的水深处为0.0914m/s，海底 0.0914m/s，方向 150°。波浪的周期取 1～38s，步长为2 s，采用完全时域方法对系统进行耦合分析，模拟周期为600 s，步长为0.2 s。为研究新型系泊系统在不同工作水深的性能，分别计算了1 000 m，1 500 m，2 000 m，2 500 m和3 000 m工作水深下FPSO主体运动性能和系泊系统的性能。

图5 质量块的布置

图6 不同水深下浮体的位移时间历程

3.4 仿真结果及比较分析

3.4.1 不同水深下FPSO的运动响应

本文采用SESAM软件建立FPSO模型、系泊缆索模型，采用时域全耦合法进行计算。FPSO运动计算结果如图6所示。

图6计算结果表明，应用新型系泊系统后几乎所有的浮体位移都得到改善，这是由于在缆索末端质量块的作用下，系泊缆索能够提供更大的回复力的缘故。当浮体运动时，处于松弛一侧的悬挂在系泊缆索末端的质量块将坐落在海底，从而减小了缆索的张力，而处于张紧一侧的质量块则逐渐被提升，随着浮体运动位移的增大，提升的质量块的数量逐渐增多，而这些质量块的重力分量提供的回复力也在不断地增大，从而使得浮体的位移幅值减小。图7给出了采用新型系泊系统与采用传统张紧式系泊系统相比浮体位移在不同工作水深下减少幅度的时历曲线，图8为浮体运动的静位移，动位移最大值和平均值减小的幅度随水深的变化规律。

图7 浮体位移减小百分比的时历曲线

图8 三种位移减小的幅度随水深的变化规律

图7表明当工作水深为1 000 m时，采用新型系泊系统的浮体位移较采用传统张紧式系泊系统的位移下降的百分比在5%左右，虽然在某些时刻效果不明显，但是浮体的最大动位移是有所下降的，在4%左右；在工作水深为2 000 m时，浮体位移下降百分比基本维持在20%，而在工作水深为2 500 m，3 000 m时，位移下降的百分比又在减小。图8表明采用新型系泊系统的浮体位移减小的百分比在工作水深为2 000 m时达到最大，之后又缓慢减小。因此仅从降低浮体的运动位移方面来考虑，此新型系泊系统的最佳工作水深为2 000 m左右。

3.4.2 不同工作水深缆索的有效张力

通过本文计算，由于10#缆索的张力方向与浮体的运动方向相反，其所受张力最大，而且该缆索的有效张力值沿缆索上端向下逐渐减小，因此以10#缆索最上端靠近导缆孔处的一个单元为分析对象，得到系统所受得最大张力随水深的变化规律。图9给出了新型系泊系统的最大动张力与传动流张紧式系泊系统的比较。

图9 缆索最大动张力

图9表明缆索的最大动张力随工作水深的增加而减小，在工作水深小于2 000 m时新型系泊系统的最大动张力始终大于传统张紧式系泊系统；当工作水深大于2 000 m后，虽然新型系泊系统的动张力仍大于传统张紧式系泊系统，但是两者的差别很小，差值在1.56%，并且有相互逼近的趋势。

3.4.3 工作水深对质量块布置的影响

缆索末端质量块的布置在很大程度上决定了缆索末端悬链线的形状，因此其设计十分重要。为了说明工作水深对质量块布置的影响，现将10#系泊缆索在最大张力时刻m1，m2和m3被提升的高度值绘成曲线，如图10所示。

图10 质量块被提升的高度

图10表明在相同质量块布置方案的情况下，随着工作水深的增加，末端质量块被提升的高度在逐渐减小。在工作水深为1 000 m时，m1，m2和m3全部被提升，其中m3被提升了15.45 m之多；在工作水深为1 500 m时，质量块亦被全部提升，但m1只被提升了0.16 m，与工作水深为1000 m时被提升2.89 m相比减小很多；在工作水深为2 000 m和2 500 m时，只有m3被少许提升，提升的高度也由3.4 m（2 000 m工作水深）减小到1.2 m（2 500 m工作水深）；在工作水深为3 000 m时，可以明显的看到m1，m2和m3都坐落于海底。以上结果表明在工作水深较小时，为了达到与悬链线相同的效果，需要布置更大质量的质量块来保证缆索与海底相切，而在工作水深较大时，质量反而可以减轻。因此，如果仅从质量块布置的角度进行考虑，则新型系泊系统的适用水深越大越有利。

4 结论

本文结合悬链线系泊系统和张紧式系泊系统的优点，提出了一种新型系泊系统，并对这一新型系泊系统在不同工作水深下的系泊效果进行了数值模拟并与传统的张紧式系泊系统进行了比较分析，得到了如下结论：

（1）新型悬链与张紧结合式系泊系统能够改善浮体的运动性能。采用新型系泊系统总体上能够改善浮体的低频运动响应，减小浮体的偏移量，从而改善平台的工作条件。在模拟的工作水深范围内(1 000～3 000 m)，采用新型系泊系统后，随着水深的增加浮体位移减小的幅度也在发生变化。当工作水深小于2 000 m时最大动位移的减小量在8%左右；工作水深在2 000 m时最大动位移的减小量达到了20%左右；工作水深超过2 000 m时，最大动位移的减小量在12%左右。

（2）新型悬链与张紧结合式系泊系统能够降低系泊缆索的张力的变化幅度，从而降低了缆索疲劳破断的风险。

（3）新型悬链与张紧结合式系泊系统能够保证抛锚点只受到水平方向的张力，大大降低对锚的抗拔性能的要求。合理地布置质量块，能够使得缆索末端形成一条与海床相切的悬链线，从而解除了对锚的抗拔性能的要求。

（4）随着工作水深的增加，若采用新型系泊系统，则只需要布置较小质量的质量块，便能够保证系泊缆索末端的悬链线与海底完全相切，同时综合考虑质量块设计以及对浮式海洋平台主体位移的改善程度，该新型系泊系统最佳工作水深在2 000 m左右。

[1]TMSchmidt,CBianchini,MMCForte,et al.Socketingofpolyester fibre ropes with epoxyresins for deep-water mooringapplications[J].Polymer Testing,2006,25：1044-1051.

[2]Nuno Fonseca,Ricardo Pascoal,Tiago Morais,et al.Design of a mooring system with synthetic ropes for the FLOW wave energy converter[C]//OAE2009-80223,Proceedings ofthe ASME 2009 28th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering,Honolulu,Hawaii,2009.

[3]JohanningL,Smith GH,WolframJ.Measurements ofstatic and dynamic mooringline dampingand their importance for floatingWEC devices[J].Ocean Engineering,2007,34：1918-1934.

[4]Arcandra Tahar,MH Kim.Coupled-dynamic analysis offloatingstructures with polyester mooringlines[J].Ocean engineering,2008,35：1676-1685.

[5]API RP 2SM2001.OTC 10779.Recommended Practice for Design,Analysis,and Testing of Synthetic Fiber Ropes in Offshore Technology Conference[S].Houston,Texas,2001.

[6]J G Hooker.Synthetic Fiber Ropes for Ultra-deep Water Moorings in Drilling and Production Applications[C]//Technical Paper Marlow Ropes,OMT Singapore,2000.

[7]NJ Pearson.Experimental Snap LoadingofSynthetic Fiber Ropes[D].Blacksburg：Virginia Polytechnic Institute and State University,2002.

[8]DPetruska,J Geyer,R Macon,et al.Polyester mooringfor the mad dogspar-design issues and other considerations[J].Ocean Engineering,2005,32：767.

[9]SChakrabartis.Handbook ofoffshore engineering[M].Amsterdam：Elsevier,2005.

[10]刘海笑,黄泽伟.新型深海系泊系统及数值分析技术[J].海洋技术,2007,26(2)：6-10.

[11]由际昆,王言英.深水半潜平台绷紧索系泊系统设计研究[J].中国海洋平台,2009,24(1)：24-30.

[12]ZhimingYUAN,Chunyan JI,Minglu CHEN,et al.Coupled analysis of floatingstructures with a newmooring system[C]//OMAE2011-49597,Proceedings ofthe ASME 2011 30th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering,Rotterdam,Netherlands,2011.

[13]YMLow,R S Langley.Time and frequencydomain coupled analysis ofdeep-water floatingproduction systems[J].Applied Ocean Research,2006,28：371-385.

Concept Design of a New Mooring System Applied to Deepwater Floating Offshore Platforms and its Hydrodynamics

JI Chun-yan1,YUAN Zhi-ming1,XU Sheng1,HUANG Shan2
(1.Institute of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China;2.Department of Navel Architecture and Marine Engineering,University of Strathclyde,Glasgow UK)

Catenary mooring system and taut mooring system are two widespread mooring systems which are applied for the floating structures.However,both of them have their inherent drawbacks.The aim is to develop a new mooring system which will overcome these shortcomings.To validate the efficiency of the new system,the new mooring system applied to a deepwater FPSO was selected as the numerical example.The motion performance of the FPSO platform with the new mooring system under different water depth was simulated employing full time domain coupled analysis method.The numerical simulation results show that the new mooring system yields very good motion performance compared to the taut mooring system.Finally the optimal water depth of the new mooring system where the floating offshore platforms can obtain the best performance was discussed.

catenary;taut mooring;FPSO;lumped mass;coupled analysis

TE951

A

1003-2029（2012）02-0068-05

2011-12-11

国家自然科学基金资助项目（51079065）；江苏省科技支撑计划（BE2010159）

嵇春艳（1976-），女，博士，教授，硕士研究生导师，主要从事船舶与海洋结构动力特性、减振方法的研究。