半潜平台码头临时系泊方案设计

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

常规深水油气开发设施有浮式生产储油装置(FPSO)、张力腿平台(TLP)、半潜平台(SEMI)及深吃水立柱平台(SPAR)等[1]，目前国内已经可以完成FPSO及半潜平台这2种浮式结构物设计建造工作，以半潜平台作为研究对象，针对其码头调试期间临时系泊问题，通过现场调研、数值模拟等方式，探索常规海况及极限海况下利用现有资源进行半潜平台系泊方案设计的方法，对其中的风险进行预判，制定应对措施。

1 设计基础

与常规船舶码头系泊相比，半潜平台码头系泊具有特殊性：①平台各个方向受风面积均较大，对缆绳布置要求更高[2]；②平台靠岸一侧立柱或者旁通上可能存在设备结构，不能直接与码头相靠，需要设置隔离驳等防撞设施；③如果平台调试时间较长且不具备锚地避台条件，需要特别设计平台码头避台方案，制定应急措施。

半潜平台船体信息见表1。

目前系泊码头水深为8.5 m，通过现场调研确认码头岸吊与半潜平台系缆区域有干涉，实际作业时需进拆除移位。

针对半潜平台临时系泊期间设计抵御环境条件能力，考虑风速、波高、流速3方面因素。根据海域论证使用报告书，由于海西半岛掩护，外海波浪不能直接传入海西湾，只能折射或者绕射进入，进入湾内的波浪最大波高H1/10为1.2～1.4 m。码头附近轮渡站流速为0.4 m/s，风速需要综合考虑常规风速下作业系泊需求及极限工况下抗台系泊需求，选取这2个典型工况进行设计分析。半潜平台临时系泊环境条件见表2。

表1 半潜平台船体基本信息 m

表2 临时系泊环境条件

半潜平台码头临时系泊方案主要分为4个部分。

1)码头系泊能力评估及需求。

2)常规海况及极限海况临时系泊方案设计。

3)临时系泊系统所需设备或设施需求。

4)现场施工操作建议。

根据项目设计需求及场地概况，整理设计流程见图1。

图1 半潜平台临时系泊方案设计流程

2 设计原理

2.1 环境载荷计算

2.1.1 波浪载荷

波浪为不规则波，时域下一阶波浪力可以表示为

(1)

式中：h1(τ)为线性脉冲函数；ζ(t-τ)为波浪的自由液面。

由辐射势引起的波浪力在时域中可按下式表示[3]。

(2)

式中：卷积*表示t时刻前由结构物运动引起的波浪运动产生的波浪力记忆效应；ξ为物体运动；R(t)称为时延函数，其与辐射势频域解关系为

(3)

式中：C(ω)为波浪阻尼系数。

2.1.2 风载荷

采用国际海事论坛OCIMF推荐的风力公式，通过风洞试验数据获取风力系数计算风载荷，如式(4)～(6)所示[4]，将软件风力计算结果与风洞实验结果进行对比，利用模型实验结果对软件模型各方向输入风力系数进行校正，保证软件风力计算值与实验相一致。

(4)

(5)

(6)

式中：CXW、CYW为X、Y方向上风力系数;CXYW为风力矩系数;VW为风速；AT、AL和LBP分别为船舶横向受风面积，纵向受风面积和垂线间长。

2.1.3 流载荷

利用风洞试验结果对软件模型计算的流载荷进行数据修正，流载荷计算为

(7)

(8)

(9)

式中：CXC、CYC为X、Y方向流力系数；CXYC为流力矩系数；VC为流速；T为船体吃水。

2.2 系泊缆计算模型

半潜平台船体在风浪流等环境力作用下发生运动，系泊缆绳受船体运动影响发生变形产生张力，缆绳张力与变形关系并非简单线性关系，采用Wilson公式进行计算[5-6]。

(10)

式中：CP为弹性系数；d为缆绳直径；ε为缆绳应变；m为指数。

2.3 橡胶护舷模拟

船体与隔离驳之间通过橡胶护舷压缩吸能降低两者碰撞力，保护船体结构，橡胶护舷刚度具有非线性，见图2。

图2 隔离驳橡胶护舷刚度

橡胶护舷受力由下式计算[7]。

(11)

式中：K为护舷弹性系数；ΔL/L为护舷相对变形。

3 临时系泊方案设计方案

由于码头海域内波高及流速较小，半潜平台运动及受力主要受风载荷影响，根据风速将临时系泊方案划分为常规方案(6～8级风)及极限方案(10～12级风)。常规方案下需要在系泊中间区域预留一定操作空间，便于码头设备机械出入调试，风速增加时，各方案缆绳布置需保持连续性，通过增连缆绳抵抗恶劣环境条件，降低操作风险。取6级风及12级风2个典型方案进行分析。

半潜平台临时系泊坐标系及环境情况见图3，BCS为码头地锚坐标系，水平原点X及Y轴位于最左端A系缆柱中心处，垂向原点始于海图基准面，半潜平台中心点X向距离A柱170 m，Y向为59.87 m，船体坐标系HCS原点位于船底形心处。

图3 半潜平台临时系泊坐标系及环境情况示意

码头前沿系缆柱除A柱安全工作载荷SWL为2 000 kN外，其余缆绳所连接码头前沿系缆柱安全工作载荷为1 000 kN，码头后沿所有系缆柱安全工作载荷均为2 000 kN。

3.1 半潜平台临时系泊常规方案(6级风)

常规海况临时系泊方案见图4，共连接13根缆绳，采用超高分子量聚乙烯I型缆绳，参数见表3。

表3 临时系泊缆绳参数

图4 常规海况临时系泊方案(6级风)

6级风速下破断风险可控，仅统计完整状态下不同流向及高低潮位受力最大值，受力结果见表4。

表4 常规海况下缆绳受力最大值统计(6级风)

由表4可知，6级风速下，该方案缆绳受力较小，缆绳受力最大值仅为401.8 kN，约为10%破断力，系泊方案满足规范要求[8]。

3.2 半潜平台临时系泊极限方案(12级风)

以6级风速下临时系泊方案作为基本方案，随着风速增加，系泊方案所需缆绳随之增加，方案设计中避免在高风速下解脱缆绳操作，因此,每个风级系泊方案在前方案基础上增连系泊缆，保障施工安全，见图5，12级风速下临时系泊方案共系有19根缆绳，各风级对应的缆绳变化可见。

图5 半潜平台临时系泊极限方案(12级风)

模拟临时系泊极限海况方案见图6。

图6 极限海况临时系泊计算模型

隔离驳由于尺寸及受力较小，并由现场系泊于其他系缆柱上(图中未体现)，可在软件中进行简化处理，模拟为仅受压非线性弹簧。在离岸风环境下，风从平台陆地一侧吹来，波浪作用并不明显，而沿岸风对系泊缆绳影响最大[9-10]，码头由于半岛遮蔽，同时码头沿线建造时平行于波流方向，计算中将风向作为主控因素进行360°全范围输入，将波浪和海流简化处理为0°和180°方向，计算统计完整工况及破断工况缆绳最大受力见表5。

完整工况下缆绳最大受力为1 490 kN，破断工况下缆绳最大受力为1 823 kN，安全系数均满足规范要求。表5中数据显示缆绳MR10受力较大，该编号缆绳长度较短，同方向缆绳在船体运动拉伸作用下伸长率更高，故受力较大，设计中应尽量避免在受力较大缆绳方向上布置短缆绳。

极限海况下除了需要校核缆绳及受力系缆柱受力之外，为保证系泊安全，还需评估平台触底风险、隔离驳与立管保护架碰撞风险。通过定义各立柱角阳极最低点位置，在时域计算中统计其最低点，获取船底与海底泥面最小间隙，垂向间隙观察点位置见图7。

表5 完整工况及破断工况缆绳最大受力(12级风)

图7 各立柱角垂向间隙观察点位置

正浮静止状态下，各个立柱角阳极最低点位置为-10.45 m(BCS坐标系)，统计360°风向作用下动力计算各点最低位置见表6。

表6 动力计算立柱角阳极最低点位置统计(正浮)

表6数据显示,立柱北侧在风力作用下倾斜角度较大，西北侧立柱最低点为-14.8 m，码头预计清淤水深15.5 m，仅由0.7 m间隙，为增加船底与海底泥面净间隙，通过对比计算，可以在台风来临前调整船体浮态，使平台绕水线面W-E轴线逆时针旋转0.3°，见图8。

图8 台风状态下船体浮态调整示意

调整浮态后，统计360°风向作用下动力计算各点最低位置见表7。

表7 动力计算立柱角阳极最低点位置统计(倾斜)

统计显示，通过预调整船体浮态，可以有效增加船底与海底间隙，保障系泊安全。

在隔离驳与船体接触靠近立管保护架一侧定义水平运动观察点，见图9。

图9 水平观察点位置示意

时域计算水平观察点与立管保护架最小水平间距结果见表8。

表8 水平观察点与立管保护架最小水平间距

隔离驳与立管保护架水平间隙时域计算结果最小值为4.73 m，满足安装需求。

4 临时系泊操作建议

半潜平台各方向受风面积较大，码头临时系泊缆绳选取及布置应与极限海况方案相匹配，从低风速方案至高风速方案变化应尽量避免解脱缆绳操作，保证各方案具有连续性。极限海况作用下针对立柱角间隙不足可以通过调整船体浮态进行改善。

针对码头系泊缆绳交叉可能产生磨损，可以在缆绳易摩擦位置覆盖保护套，定期检查更换。

潮汐变化对缆绳长度影响通常可以使用缆绳长度自适应调节设备，或使用缆绳受力监测设备及时对受力较大缆绳进行人工调整。若不具备上述条件，则需每日定时多次巡检，通过缆绳张紧状态及时调整缆绳长度。

半潜平台码头临时系泊设计及现场施工受限因素较多，需设计方与现场时时沟通，将理论设计与现场作业经验反复交叉优化得到最终可实施方案。