浅水浮式平台多点系泊系统适用性研究

余 骁，雷 慧，王 允

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

随着国家海洋强国战略的实施以及海上油气资源的开发，与常规FPSO或采油平台相配套的其他船型浮式平台将被应用于浅水海域。我国渤海地区有丰富的油气资源，到目前为止，探明地质储量6亿吨，但大部分为浅水油田[1]。在渤海海域，通常采用软刚臂单点系泊装置对FPSO进行系泊。与单点系泊比较，多点系泊不需要复杂的机械，也不需要流体旋转接头，可实现国产化，系统工程投资显著降低，非常适用于FPSO，以实现小型或边际油田的经济性开发[2]。多点系泊系统通常用于环境条件较为温和的海域，在西非和印尼海域，有部分FPSO采用多点系泊系统。在我国海域，还没有FPSO采用多点系泊的工程案例。随着多点系泊技术的发展，出现了多种不同型式的多点系泊系统。

目前，水深1 500 m以内的半潜平台大多采用钢制悬链线多点系泊进行定位，但对于浅水海域，由于水深较浅，由系缆自身质量形成的悬链线效应不明显，较难提供足够的回复力。浅水海域使用悬链线式系泊，需要较长的系泊链以防止锚上出现上拔力，占用的海域面积较大。近年来，合成纤维缆开始作为浮式结构物的永久系泊系统使用，并因其具有强度质量比大、弹性好、成本低等优点，已广泛代替了锚链和钢丝绳[3]。合成纤维缆一般用在超深水平台上，可以有效减小系泊缆自身重量，目前还没有在浅水中应用。本文以拟作业于渤海海域的某船型浮式平台为例，设计2种不同型式的多点系泊系统，对比分析二者的系泊性能，从系泊性能的角度研究多点系泊系统在浅水中的适用性，为浅水船型浮式平台系泊系统的设计提供参考。

1 浮式平台主尺度和环境条件

1.1 平台主尺度

以某船型浮式平台为例进行说明，浮式平台主要尺度参数见表1。

表1 浮式平台主要尺度参数Tab. 1 Main dimensions of the floating platform

1.2 环境条件

海洋环境条件见表2。选用JONSWAP波浪谱，谱峰因子根据计算选取。

表2 海洋环境条件Tab. 2 Environment conditions

选择JONSWAP海浪谱，公式如下：

2 浮式平台系泊方案

2.1 悬链式系泊

悬链式系泊系统的系泊缆采用钢缆-聚酯纤维-钢缆三段式，中段采用质量较轻的高强度聚酯纤维，两端采用耐磨的钢丝绳。为了增强悬链效应，优化系泊缆特性，在系泊缆上相应位置使用配重以加深悬链线轮廓。通常情况下，悬链式系泊中的系泊缆会采用锚链或锚链与钢缆组合。当水深较深时，为减小锚链重量，增加浮体载重量，才会采用质量更轻强度更大的聚酯纤维缆。在浅水海域，由于水深较浅，大部分系泊缆是直接卧于海床上，并没有起到悬链的作用，此时主要考虑系泊缆的张力特性，由于聚酯纤维缆轴向刚度小，受力特性更好，故将系泊缆设计为三段式。为保证锚基不承受上拔力，设计单根系泊缆长度305 m，系泊半径298.5 m。系泊系统采用18根系泊缆，分为6组，系泊缆编号如图1所示。由于船型平台横向载荷明显大于纵向载荷，系泊缆主要承受横向载荷，故将系泊缆按照图1所示布置，系泊缆1与水平方向夹角为85°，每组缆绳间夹角为5°。横向布置的系泊缆主要作用是抵抗横向载荷和控制浮体横向位移，纵向系泊缆主要作用是限制浮体纵向位移，纵向载荷相对较小。配重1距离船体导缆孔20 m，配重2距离配重1为30 m，配重为正方体高强度混凝土，边长3 m，水中净重为40.5 t。系泊缆的主要物理参数如表3所示。

图1 计算模型俯视图Fig. 1 Vertical view of the calculation model

图2 计算模型侧视图Fig. 2 Side view of the calculation model

表3 系泊缆材料属性Tab. 3 Mooring rope material properties

2.2 张紧式系泊

张紧式系泊系统的系泊缆也采用钢缆-聚酯纤维-钢缆三段式。张紧式系泊系统由于系泊缆质量轻和预张力的作用，在系泊初始时刻系泊缆处于张紧状态。系泊缆与水平面的夹角和预张力大小直接影响到系泊系统的总体性能[4]。张紧式系泊系统也采用18根系泊缆，分为6组，对称布置于浮体上，系泊缆与水平方向夹角与悬链式相同，单根系泊缆长度116 m，系泊半径112 m。系泊缆与海床的夹角需尽可能小以提供较大的水平回复力，本方案中系泊缆与海床夹角为15°。系泊缆布置如图3和图4所示，系泊缆的主要物理参数如表4所示。

图3 计算模型俯视图Fig. 3 Vertical view of the calculation model

图4 计算模型侧视图Fig. 4 Side view of the calculation model

表4 系泊缆材料属性Tab. 4 Mooring line material properties

3 多点系泊系统性能计算

3.1 系泊系统的设计校核准则

系泊系统主要功能是保证浮体在允许范围内运动，其设计需满足规范要求：

1）工作海域百年一遇的最大水平位移需控制在30%的水深范围内[4]；

2）完整纤维材料张紧式系泊系统的系缆张力安全系数应大于1.83，一根系缆破断后的张力最小安全系数为1.38[5]；

3）为避免系缆受压和摩擦破坏，纤维材料系缆上最小张力应大于5%～10%破断强度[5]。

3.2 时域运动方程

综合考虑风、浪、流以及系泊系统回复力的联合作用，浮式平台时域运动方程[6-8]为：

式中：M为浮体的质量矩阵；A（∞）最大计算频率对应的附加质量矩阵；r（t）为辐射阻尼的脉冲响应函数矩阵；D为浮体慢漂阻尼矩阵；K为浮体静水回复力刚度矩阵；F（1）（t），F（2）（t）分别为一阶、二阶波浪载荷；FW（t），FC（t）分别为风流载荷；FM（t）为系泊系统提供的回复力。

在不规则波浪下，作用于结构物上的瞬时波浪力可以写为：

式中：η（τ）为海浪随机波面升高的时域历程；h（t）为脉冲响应函数，由一阶波浪力传递函数通过傅里叶变换得到，即

根据整个频率范围内的fw（ω），即可按上式求得h（t），然后按波浪时历η（τ），根据式（3）求得一阶波浪力。

F（2）（t）为二阶波浪力，Aj，Ak为双色波幅值，ωj，ωk为双色波的不同频率，εj、εk为随机相位角，和分别为频域内FPSO在不同浪向不同频率下的二阶差频波浪载荷传递函数的实部和虚部。

3.3 计算工况

对于本浮体，作业工况和自存工况排水量不变。多点系泊系统不具有风向标效应，浮式平台横向载荷明显大于纵向载荷，所以在设置计算工况时，重点考虑横向的风、浪、流条件，由于篇幅有限，仅选择部分典型风、浪、流组合工况进行计算，百年一遇自存工况风、浪、流组合见表5。风、流载荷计算参考OCIMF[9]中关于FPSO风、流载荷的计算方法。

表5 风、浪、流方向组合Tab. 5 Direction combination of the wind、wave and current

3.4 计算结果及分析

3.4.1 平台运动频响

平台在微幅波作用下做六自由度运动，在线性化假定条件下，平台运动响应幅值与入射波幅值之比即为频率响应函数，频响与平台的主尺度和线型有关，是平台的固有属性。分别以180°，135°和90°为入射角，计算3个方向上浮式平台的频响，结果如图5～图8所示。

图5 平台横摇频响Fig. 5 Roll RAO of the platform

从结果来看，平台横摇峰值较大，横摇峰值对应的周期为9.66 s，说明平台阻尼偏小，而且平台固有周期与百年一遇波浪的谱峰周期较为接近，横摇性能较差，需要改善。从纵荡频响可以看出，低频时纵荡频响幅值明显大于高频，浮体低频效应显著。

3.4.2 平台运动计算结果

图6 平台纵摇频响Fig. 6 Pitch RAO of the platform

图7 平台纵荡频响Fig. 7 Surge RAO of the platform

图8 平台垂荡频响Fig. 8 Heave RAO of the platform

时域计算可以得到浮式平台六自由度运动的时历曲线，风、浪、流均为90°时，平台的运动幅度最大，悬链线系泊方式下平台横荡和垂荡运动时历曲线如图9～图10所示。张紧式系泊状态下平台横荡和垂荡运动时历曲线如图11～图12所示。计算结果表明，在百年一遇的环境条件下，风、浪、流同为90°时，平台运动位移最大。

图9 平台横荡曲线Fig. 9 Sway curve of the platform

图10 平台垂荡曲线Fig. 10 Heave curve of the platform

图11 平台横荡曲线Fig. 11 Sway curve of the platform

图12 平台垂荡曲线Fig. 12 Heave curve of the platform

由表6可知，对于悬链式系泊系统，在完整工况下，平台的最大偏移幅值为8.32 m，为水深的26%；1根系泊缆破断的情况下，平台各项运动与完整工况相比，变化不大，平台最大偏移幅值为9.10 m，为水深的28.4%，小于规范要求的30%[4]，即平台运动幅度满足规范要求，不过平台运动幅度仍然相对较大。由表7可知，对于张紧式系泊系统，无论是完整工况还是1根系泊缆破断的情况，平台平动幅度均相对较小，而横摇幅值较大，比较危险。

表6 悬链式系泊运动计算结果Tab. 6 The caculation results of the motion for catenary mooring system

3.4.3 系泊缆张力计算结果

在百年一遇的环境条件下，系泊缆完整状态和一根系泊缆破断的情况下各个系泊缆受力情况如表8和表9所示。由于系泊缆分为几段，聚酯纤维和钢缆的破断强度不同，其安全系数需分别表示。系泊缆编号1-2表示1号系泊缆第2段，即聚酯纤维段。

表7 张紧式系泊运动计算结果Tab. 7 The caculation results of the motion for taut mooring system

表8 悬链式系泊缆张力计算结果（kN）Tab. 8 The caculation results of the mooring line tensions for catenary tpye

由计算结果可知，对于悬链式多点系泊系统，无论是完整工况还是1根缆破断的情况，系泊缆上的张力均相对较小，满足规范要求，而张紧式多点系泊系统的系泊缆张力均较大，已超过系泊缆的承受能力，系泊缆张力不满足规范要求。当1根系泊缆破断时，与之相临的2根系泊缆张力会显著增大，而其他系泊缆张力变化不大，甚至会相应减小。在选择不同系泊缆材料时，材料的破断强度尽量相近，否则安全系数可能相差较大。在2种系泊方式下，13-18号系泊缆上的张力均相对较小。13-18号系泊缆的主要作用是控制平台的纵向位移，若不设置这些系泊缆，在工况3～工况5中，平台纵向位移均超过规范要求的范围。

表9 张紧式系泊缆张力计算结果（kN）Tab. 9 The caculation results of the mooring line tensions for taut type

4 结 语

采用AQWA软件，在频域范围内计算了船型浮式平台的运动响应，随后对悬链式和张紧式多点系泊系统的系泊性能进行了多种风、浪、流组合工况的时域耦合计算，得到了平台的六自由度运动时历和各系泊缆上的张力。对计算结果进行分析，得到以下主要结论：

1）张紧式系泊系统浮体平动位移相对较小，横摇幅值和各系泊缆张力较大，系泊缆张力不满足规范要求。若要使用张紧式系泊系统，需增大系缆破断强度和锚基抗拔力，实现难度较大；

2）悬链式系泊系统浮体平动位移相对较大，但是横摇幅值和系缆张力均相对较小，浮体运动幅度和系缆张力均满足规范要求。悬链式多点系泊系统对于浅水船型浮式平台是可行的，不过浮体的水平位移仍然需要重点关注；

3）无论是张紧式还是悬链式系泊，当一根系泊缆破断时，与之相临的两根系泊缆张力会显著增大，而其他系泊缆张力变化不大，甚至会相应减小，平台运动幅度变化不大。

对于在浅水海域使用的船型浮式平台，悬链线多点系泊可以满足使用要求，工程投资较小，经济性较好，而且技术简单可靠，但悬链线较长、系泊半径较大，占用海域面积大，对通航有一定影响。