深水半潜式平台聚酯缆张紧式系泊研究

姜钧喆， 陈新权

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)



深水半潜式平台聚酯缆张紧式系泊研究

姜钧喆， 陈新权

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

摘要：该文主要研究了聚酯缆张紧式系泊在深海作业条件下的相关性能。首先总结聚酯缆材料的非线性伸长特性及规范法规的相关要求，针对1 500 m作业水深下的半潜式平台的相关参数设计了聚酯缆材料的张紧式系泊系统，并对系泊系统在作业工况和自存工况下进行了时域耦合动力分析，根据规范对平台运动位移和线张力采用不同轴向刚度值进行模拟，分析了单根破断对耦合系统的影响，并校核计算结果，发现完全符合规范要求。

关键词：深海半潜式平台；聚酯缆；张紧式系泊；时域；耦合分析

0引言

海上浮式平台长期屹立在复杂多变的海洋环境中，因此需要通过定位系统来限定它的运动，保证生产作业的正常开展。当水深增加时，悬链线式系泊系统的自重会大大增加，不仅减小了平台的可变载荷，增加了缆绳中的张力，系泊半径也会随着水深增加而迅速增大，系泊系统的布置和回收可能会比原来困难，其定位能力也会减小。因此对于水深超过1 500 m的超深水域，比较适合浮式平台的系泊方式是合成纤维材料的张紧式系泊。

合成纤维中聚酯缆研究应用较早，生产制造安装规范也较为成熟。在性能方面，聚酯缆在同等海况下绳上张力适中，能较好地抵抗轴向挤压和蠕变影响，并且强度—重量比值大。国内外学者对聚酯缆材料的系泊性能也在不断的试验研究之中。宋安科等[1]对于聚酯缆绳的系泊系统和平台分别进行了静力和时域耦合分析，并对影响系泊系统强度和定位能力的几个参数进行了分析研究。Bhat 等[2]以一个超深水条件下的聚酯缆系泊模型为对象，用定常刚度值进行了准静定时域模拟，然后用非线性刚度值进行了耦合频域模拟，并将两者的结果进行了对比分析。Cermelli等[3]以一座墨西哥湾2 500 m水深处的半潜式平台为例，利用Shell公司内部的耦合动力分析软件COSMOS对三种不同的模拟方法进行了研究对比。

该文对聚酯缆张紧式系泊的相关特性进行了详细总结，介绍了行业在初步设计中普遍采用的两种简化模型以及基于这两种模型的设计流程，之后针对一座作业水深为1 500 m的半潜式平台的聚酯缆张紧式系泊系统进行了设计分析，从强度和定位能力两方面校核了系泊系统的设计效果，探讨了聚酯缆的非线性刚度特性对于系泊定位效果的影响，并研究了单根失效情况对于聚酯缆张紧式系泊系统的影响。

1聚酯缆刚度模型

Fernandes和Vecchio[4]对一些小直径的聚酯缆的轴向刚度进行了回归分析，发现轴向刚度与聚酯缆所受的平均载荷、载荷幅值以及载荷周期有关。

聚酯缆刚度的数学表达式为：

(1)

式中：F为轴向力；ε为应变；E为弹性模量；A为截面积。

相对应的无量纲刚度Kr表达式如下：

(2)

式中：MBS为最小破断强度。

Kr又涉及到动态刚度Krd和静态刚度Krs，广泛使用的动态刚度三参数表达式为：

(3)

式中：Lm为平均载荷；T为载荷幅值；P为载荷周期。

Bosman和Hooker认为载荷幅值和载荷周期对于动态刚度的影响可以忽略，动态刚度仅和平均载荷Lm有关，从而得到更适用于实际工程领域的数学模型[5]，表达式为：

(4)

实际设计过程中，聚酯缆主要有两种刚度简化模型：静态—动态模型和上界—下界模型。

图1　静态—动态模型图

1.1静态—动态模型

聚酯缆由晶体结构和非晶体结构构成。静态刚度就是使线张力缓慢增加，缆绳中的晶体和非晶体部分同时达到平均载荷值情况下的刚度，而在周期性载荷的作用下，只有刚度更大的晶体结构能够及时响应，体现出来的就是动态刚度。对聚酯缆来说，动态刚度值一般为静态刚度的2～3倍。在海洋环境下，一根系泊线需要承受的海洋载荷通常可以分解为稳定的平均载荷部分和在平均载荷周围振荡的动态载荷，所以这个模型比较好地模拟了海洋环境下系泊缆的动态响应，如图1所示。

根据大量工业应用研究，静态刚度可以采用以下“准静态”模型[6]：

(5)

式中：F1为起始测试张力，一般为系泊缆的预张力；F2为最终测试张力，对应为海洋平均载荷；E1为起始应变；E2为最终应变；C为蠕变系数；t为蠕变时间。

1.2上界—下界模型

图2　上界—下届模型图

为了应对解决工业上对于实用聚酯缆刚度模型的需要，1999年提出了上界—下界模型。该模型定义了刚度的下界(又称安装后刚度)和上界(又称风暴刚度)作为初次近似，如图2所示。这些下界和上界值被分别用来计算平台的最大位移和线张力。但是聚酯缆的伸长特性比较复杂，为了得到比较精确的结果，可以采用中间值并且需要对刚度值的选取进行比较细致的考量。

部分学者研究得出，使用风暴刚度模拟得到的平台运动位移最小，而使用安装后刚度得到的系泊系统的强度较好，即线张力较小。但是真正在进行设计的过程中，需要用风暴刚度来模拟系泊缆的张力变化，而用安装后刚度来得到平台的最大位移，从而保证工程具有很好的安全性。

1.3基于模型的初步设计流程

在典型的工程实践中，利用静态—动态模型进行分析时，首先使用“准静定”模型的静态刚度，再使用动态刚度进行分析。利用静态刚度计算得到的结果代表的是受到低频载荷的平均响应，第二次利用动态刚度计算得到的动态响应值代表的是受到波频载荷的结果，再将两个结果结合起来。值得注意的是，为了实现同样的预张力，在第二次过程中需要调整线长度和锚固位置。

与静态—动态模型类似，采用上界—下界模型也须进行两次，分别使用上界和下界刚度值。不同的是，下界值确定平台的最大位移，上界值确定系泊缆的最大张力。总体而言，静态—动态模型基于大量研究结果得出，符合聚酯纤维的伸长和载荷响应特性，但是较为复杂，非常依赖材料测试的结果。上界—下界模型由于其简单易用也被广泛使用，尤其是在还没有依据材料测试结果得到较好的刚度模型时，但是上下界的选取对结果精确度的影响较大，所以上下界值需要谨慎选取。

在进行系泊系统的初步设计时，由于所使用的系泊缆绳的材料参数未知，所以需要对其最主要的刚度参数进行预估。美国船级社规范提供了一些模型参数的选取范围，需要注意的是，这些推荐值是从聚酯缆永久系泊的工程项目中归纳得出，而且所有的缆绳均受到40%的预张力。针对动态刚度的三参数模型、三区间模型以及静态刚度，分别给出以下推荐值，见表1。

表1　三参数法模型参数参考值

表1是根据5个海洋工程项目使用的聚酯缆的材料测试数据得出。实际数据显示，上界值预估线张力比较保守，而下界值预估平台位移比较保守。通常来说，影响平台位移的是静态刚度，而非动态刚度。

同样，在预估动态刚度值的过程中，可以用下面的三区间法，见表2，根据所受外界动态载荷而产生的动态线张力与图1中的平均张力的比值划定动态刚度值选取的不同区间。

表2　三区间法动态刚度推荐值

规范中还考虑了系泊缆绳的使用状况和强度等级对取值的影响，使用状况细分成安装前和老化，强度等级分为高强度、中强度和低强度，初步设计的准静定刚度值见表3。

表3　初步设计的准静定刚度值

2深水半潜式平台及其系泊系统模型

图3　平台湿表面模型

图4　系泊系统布置图

半潜式平台水动力模型如图3所示，平台主尺度见表4。

表4　平台主尺度

在1 500 m水深下采用张紧式系泊布置。12根系泊线以3根为一组四向对称分布，通过4根立柱的导缆器连接平台，顶部张角为45°。每一组的系泊缆在水平面上的投影与纵向分别呈37°、40°、45°夹角，如图4所示。

每一根系泊缆的组成形式均为“锚链—聚酯缆—锚链”，考虑缆绳回收和释放操作需要以及聚酯缆材料的特殊要求，中间聚酯缆段上端需远离导缆器，不出水且至少在水面100 m以下。海底段为了防止海底土壤与沙尘进入聚酯缆中引起的纤维磨损影响缆绳的强度，所以也用锚链代替聚酯缆与海底锚固设备连接。选取实际材料得到的系泊系统材料参数见表5。

表5　系泊系统材料属性

该文采用聚酯缆的“上界-下界模型”，即用安装后刚度和风暴刚度进行第一次近似，分别用于计算平台的最大位移以及线张力。

3海洋环境条件

该文对完整作业、破损作业、完整自存、破损自存四种设计工况进行分析。作业工况采用十年一遇的风浪流数据，自存工况考虑台风季节百年一遇的设计条件，组合方式则使用百年一遇的风和浪加上十年一遇的流，风浪流同向并且分析浪向角为0°、30°、60°、90°四个方向的时历结果，环境条件参数见表6。

表6　环境条件参数

4系泊设计准则

平台实际作业过程中，立管的变形必须在一定范围之内，因此平台水平面的运动位移需满足规范要求。同时，从系泊系统强度考虑，缆绳的线张力也不能过大，引入线张力安全系数FOS的概念来衡量系泊系统的强度大小，安全系数见表7。

表7　安全系数表

5时域耦合分析结果

利用AQWA软件对深水半潜式平台及其张紧式系泊系统的耦合作用进行分析。在时域耦合模拟的过程中，采用最大响应平均值法，即在模拟海洋中的随机波浪时选取5～10个随机种子，将该随机海洋环境下整个系统的响应最大值的平均值作为该条件下的设计最大响应。图5为自存工况、浪向角0°情况下平台的运动轨迹，图6和图7为相应的平台位移与缆绳线张力时历曲线，自存工况平台位移见表8，自存工况缆绳张力见表9。

图5　平台运动轨迹

图6　平台垂荡时历曲线　　　　　　　　　　　　　　　图7　#1缆绳张力时历曲线

表8　自存工况平台位移

表9　自存工况缆绳张力

6单根破断分析

当海上环境极其恶劣的时候，平台的大幅度运动将会在系泊缆绳上产生巨大的张力响应，造成缆绳的断裂，这种情况将会给整个平台的安全造成不利影响。该文针对自存工况每种条件下受力最大的聚酯缆进行破断处理，研究其余缆绳的张力平均值和最大值的变化情况，单根破断前后平台位移对比见表10，单根破断前后缆绳线张力对比见表11。

表10　单根破断前后平台位移对比表

从表10中可以看出，在每种工况下对应线张力最大的缆绳破断之后，平台在水平面上的运动幅度有了小幅的增加，但是也还在规范允许的范围之内。纵荡、横荡、首摇等平台运动响应与系泊缆的布置、预张力等参数相关。

表11　单根破断前后缆绳线张力对比表

从计算结果可以看出，在任意一根缆绳破断之后，所在组的其余缆绳的线张力都会增大，其最大值相比其它组缆绳百分比增长最大。该例中，在0°、30°情况下断裂#5缆绳，在60°、90°时断裂#11缆绳，而#5、#6、#11缆绳在布置图中为同一组，所以任意一根缆绳断裂之后，同组其余缆绳都会成为主承力缆。

同组其余缆绳的变化情况与单根缆绳破断之后平台的平均位置以及平台首向的偏移有关。在表11中，60°、90°方向风浪流作用下，部分缆绳破断后相比破断前的线张力有所减小。在单根缆绳破断之后，必然会有部分缆绳线张力增大，而其它缆绳张力相对减小。如果不对系泊缆进行收放操作，平台的平衡位置与方位角都会有所改变。

7结论

该文对聚酯缆张紧式系泊的材料特性、法规要求和模拟方法进行了概述，建立了一深水半潜式平台水动力计算模型，设计了张紧式系统，对深水系泊平台进行了时域耦合分析，结果表明，聚酯缆张紧式系泊系统具有优良的性能。设计的系泊系统在作业工况下，平台的位移响应很小，在自存工况下，平台的最大位移和规范值较为接近，而线张力和规范值相比，安全系数较高。缆绳单根破断之后，平台的六自由度运动均有小幅的增加，以纵荡、横荡、首摇运动较为明显，但是增加的幅度很小，其变化大小与系泊系统布置以及预张力等参数有关。

参考文献

[ 1 ]宋安科. 深水半潜式钻井平台系泊系统方案设计与分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2008.

[ 2 ]Bhat S S, Cermelli C A, Lo K H. Polyester mooring for ultra-deepwater applications[C].Proceedings of the Twenty First Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, OMAE02-28267, Oslo, Norway, 2002.

[ 3 ]Cermelli C A, Bhat S S. Fiber mooring for ultra-deepwater applications[C]. Proceedings of the Twelfth International Offshore and Polar Engineering Conference.ISSN 1098-6189, Kitakyushu, Japan, 2002.

[ 4 ]Fernandes A C， Del Vecchio C J M, Catro G A V.Mechanical properties of polyester mooring cables[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 1998，9(3):248-254.

[ 5 ]Bosman R L M, Hooker J. The elastic modulus characteristic of polyester mooring ropes[C]. Proceedings of the Offshore Technology Conference, OTC 10779, Houston, 1999.

[ 6 ]陈新权,谭家华.深海半潜式平台系泊系统设计研究[J].中国海洋平台,2011,26(2):43-48.

[ 7 ]ABS. Guidance notes on the application of fiber rope for offshore mooring[S]. 2011.

[ 8 ]CCS.海上移动平台入级与建造规范[S]. 2005.

[ 9 ]API. Recommended practice for design and analysis of stationkeeping systems for floating structures[S]. February, 2014.

[10]DNV.Position mooring[S]. 2013.

Research on Polyester Taut Mooring for Deepwater Semi-submersible

JIANG Jun-zhe, CHEN Xin-quan

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University,

Shanghai 200240, China)

Abstract：The relevant performance of taut-mooring systems applying polyester ropes indeepwater sea is studied in this paper. Research on material properties and design criteria of polyestermooring are summarized. Coupled dynamic calculation is conducted using two different axial stiffness models to simulate the responses of floater motions and cable dynamics respectively. The condition that one mooring line is assumed to have failed and the consequences of that are discussed by comparing the results of relative responses before and after the failure. The results show that the design of the mooring system is fully compliant with the requirements in the industrial standards.

Keywords：deepwater semi-submersible; polyster; taut mooring; time domain; couple analysis

基金项目：国家工业和信息化部海洋工程装备项目“水下生产系统设计及关键设备研发(一期)”专项经费资助(E-0813C003)。

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0078-08

作者简介：姜钧喆(1992-)，男，硕士研究生。

收稿日期：2015-07-22 2015-05-04