深水大型浮台系泊系统水动力计算分析

王 领，刘生法

（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

1 引言

发展海洋经济、建设海洋强国均离不开海洋信息的获取，这就需要建立可靠的信息监测系统。深海浮标是一种载有各类探测传感器和监测仪器的海上观测平台[1]，它可以在海上进行定点（或组网）的长期连续观测，为海洋环境预报、海洋渔业、航海运输、执法维权、海洋科学研究以及海洋开发提供实时的海洋信息。

我国目前布设的大型浮标数量较少，功能相对单一，布放区域仅为近岸沿海地区，未覆盖到远海、深海区域。虽然已经开展了深海浮标的研究[2～5]，但是尚未开发和部署深水大型浮标。大型浮标可以搭载更多观测和监测仪器设备，应用范围更广。将海洋工程系泊技术应用到深海大型浮标上，可以显著提高其环境适应性和安全性。本文选择某大型浮台，对其深海系泊型式进行研究，对系泊缆组成以及长度进行优化，并采用水动力计算软件论证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软件对深水浮台系泊系统进行水动力分析。AQWA和OrcaFlex软件是业内先进的海洋工程水动力计算和系泊分析软件，可以对锚泊系统、海洋工程立管系统、水下软管和安装等进行分析。OrcaFlex是一个全3D的非线性时域仿真程序，能够较好处理结构动力学问题。

根据选定的海洋环境条件，对系泊系统的运动及受力进行分析。主要的研究路线如下：

（1）建立大型浮台等系泊系统的模型；

（2）采用AQWA进行前期数据处理和建模，首先将模型数据导入，然后利用AQWA-LINE模块进行静水力分析、规则波下波浪载荷和系统响应的计算，以及频域条件下一阶波浪力和二阶平均漂力的计算；

（3）将AQWA-LINE的计算结果导入OrcaFlex进行系泊缆绳和浮台的时域耦合运动分析，仿真在不规则波下浮台以及系泊缆绳的实时运动，得到缆绳张力及浮台运动的时历变化曲线；

（4）对OrcaFlex计算得到的时历结果进行统计分析，判断系泊方案可行性及系泊安全性。

3 系泊系统方案

3.1 环境条件

本文研究的浮台系泊系统用于南海海域，水深约1 530 m，选取100年一遇的环境条件作为安全自存的工况。波浪谱采用JONSWAP谱，选取的主要环境条件见表1。

表1 主要的环境条件

3.2 大型浮台主尺度参数

浮台示意图以及相关尺寸见图1和表2。该浮台尺度较大，但其水线面较小，仅为三个支柱的面积。

图1 浮台示意图

表2 浮台主尺度

3.3 系泊系统方案

浮台系泊系统在浅水中一般采用纯锚链系泊；在深水中由于锚链重量过重，不仅显著增大导缆器的拉力，还会增加浮台吃水，大大降低浮台有效载荷。为了减轻自身重量，宜采用组合缆系泊，除首尾部仍然采用锚链外，中间段通常采用钢缆或者纤维缆。

钢缆具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度，但自身重量比较重且弹性较低。实验表明，在负荷为其破断强度的一半时，钢丝绳的伸长率约为1% 。钢丝绳的低弹性特点，使其在动力负荷较大的系泊系统中极易产生较大的峰值载荷。

纤维缆重量轻，主要有尼龙缆、聚酯缆、高模聚乙烯等。本文选用聚酯缆作为系泊系统的组成部分。聚酯缆材料为高韧性聚酯复丝纤维，熔点为256°，冷水下几乎不收缩，吸水率低、耐磨性好、弹性适中，当载荷为其破断强度的一半时，伸长率约为7%。聚酯索在干燥和受潮下强度都很高，具有良好的耐磨损性能，在交变载荷下也不会很快丧失强度。由OCIMF主持的试验表明，在交变载荷下聚酯比尼龙的耐久性高190倍、比聚丙烯高570倍。在浮台系泊系统中，要求缆绳具有较高强度和耐久性，因此纤维缆绳选择聚酯缆。

考虑到系泊链的重量对浮台的重心有较大影响，因此在与浮台连接处的系泊链不宜过长；同时为减小底部躺地链的长度，达到更好的系泊效果，本文在底部使用配重来增加系泊系统的恢复力。

综上所述，本系泊系统方案采用V型链式系泊系统，由浮台、系泊缆、配重和锚固基础组成：系泊缆采用组合缆由三段组成。第一段采用R3系泊链、直径73 mm；第二段采用直径128 mm的聚酯缆或者84 mm钢缆；第三段采用R3系泊链、直径95 mm。配重位于第三段系泊链中间，采用方形混凝土块结构，重量为115 t；锚固基础采用可翻转的大抓力锚。系泊系统布置图，如图2所示。

图2 深水浮台系泊系统布置

3.4 系泊系统方案对比

对两种组合缆的方式以及有无配重进行风浪流同向下百年一遇工况的分析计算，其结果对比见表3。

表3 系泊缆张力对比

从表3可以看出：同等强度下聚酯缆方案的系泊张力明显降低，系泊性能明显优于钢缆方案，同时躺地段长度较长、安全性更好；增加配重，首系泊链、聚酯缆的张力有所提高，但尾系泊链的张力有所下降，同时躺地段的长度明显增长。因此本系泊系统选用聚酯缆和系泊链组合，增加配重。

4 系泊系统安全性分析

对设计寿命周期内的初期和末期浮台系泊系统进行了一年一遇和百年一遇的水动力分析，以评估系泊系统的安全性。由于该系泊系统上部使用V型链设计，各海况计算分析中的风浪同向且取不同的环境载荷方向而流向固定。

4.1 设计寿命初期计算分析

本系泊系统由于是单点系泊，在环境力作用下容易发生纵荡和横荡，且这两个指标对浮台的工作状态以及安全性没有特别影响，因此本文仅考核浮台的垂荡、横摇和纵摇位移。其浮台运动的计算结果见表4（统计结果为有义值），系泊缆张力结果见表5。

表4 设计寿命初期浮台位移情况

表5 设计寿命初期系泊缆张力

从表4可以看出，在百年一遇工况下，浮台的垂荡达7.25 m、横摇19.58°、纵摇9.32°。根据规范要求[6]，采用动力分析方法进行计算分析时，系泊缆安全系数应大于1.67。从表5可知，Φ73 mm锚链最大张力为1 216 kN、安全系数为2.52；聚酯缆最大张力为1 798 kN、安全系数为3.06；Φ95 mm锚链最大张力为1 014 kN、安全系数为4.07。由此可知，该系泊系统设计满足规范要求。

4.2 设计寿命末期计算分析

系泊系统设计寿命为20年，在设计寿命末期应考虑系泊链的腐蚀，R3系泊链按直径每年减少0.3 mm考虑。本文采用如下数值进行百年一遇典型工况的末期校核计算：第一段采用R3系泊链、直径66 mm；第二段采用聚酯缆、直径128 mm；第三段采用R3系泊链、直径87 mm。

表6 设计寿命末期系泊缆张力

从表6可以看出，在设计寿命末期，Φ73 mm锚链最大张力为1 263 kN、安全系数为1.89；聚酯缆最大张力为1 952 kN、安全系数为2.28；Φ95 mm锚链最大张力为1 188 kN、安全系数为3.23。由此可知，安全系数均大于1.67，满足规范要求。由于考虑障了系泊链的腐蚀余量，重量明显变轻，因此躺地链的长度明显变短。

5 结论

本文采用OrcaFlex对深水浮台系泊系统进行了水动力计算分析，并得到如下结论：

（1）浮台一般具有小水线面，在系泊系统设计中应考虑系泊链对其重心的影响；

（2）聚酯缆与钢缆、锚链相比，重量轻、弹性大，在深水系泊中可以有效减小系泊缆重量、降低系泊缆受力；

（3）配重可以提高系泊系统的恢复力，但是在设计过程中应同时考虑配重对系泊系统的安装影响。