极端载荷下半潜式平台系泊方法及性能对比

闫宏生， 高率群， 李怀亮， 于文太， 孟祥伟

(1. 天津大学 建筑工程学院， 天津 300072；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

近年来，随着海洋油气资源的勘探开发逐渐从近海走向深海，海洋平台需要进入海况更恶劣的深海进行工作，这对其系泊系统的特性提出更高的要求[1-2]。海洋平台大多采用悬链线式和张紧式布置的系泊系统[3]。与在浅海应用较为广泛的悬链线式系泊系统相比，张紧式系泊系统更适于深海作业，且考虑到海洋环境的复杂多变性，平台在深海中系泊时可能会遭受某些极端载荷，导致部分系泊缆发生断裂[4]，对2种系泊方式下系泊缆的完整性和破断状态的安全性进行深入细致的研究显得日益迫切。

国内外许多学者对深水海洋平台的系泊系统进行大量的研究。HONG[5]采用频域的计算方法研究张紧式系泊系统的动力特性，进而明确系泊缆的张力由准静力和随机动力两部分构成。SMITH等[6]对对称分布的系泊系统进行研究，分析各个浪向下系泊缆的不同布置角度对平台回复力性能的影响。VECCHIO[7]研究聚酯缆的刚度模型，并提出当系泊系统采用轻质聚酯纤维材料时系泊性能会有较大幅度的提高。KIM等[8]采用时域分析方法以某桁架式Spar平台为研究对象，研究平台与系泊系统在耦合作用和非耦合作用两种情况下的动力效应。FERNANDES等[9]探讨聚酯缆的非线性问题，并将聚酯缆材料与普通材料进行对比，结果表明聚酯缆存在明显的滞后现象。王宏伟等[10]针对某半潜式钻井平台, 选择涤纶(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和高相对分子质量聚乙烯(HMPE)等3种纤维材料的系泊缆，对其系泊系统进行多方案设计分析，分别讨论系泊缆材料对平台总体性能和系泊缆受力的影响。范亚丽等[11]和姜钧喆等[12]设计多种张紧式系泊方案，并进行设计参数的敏感性分析。童波等[13]研究系泊缆完整状态下张紧式和悬链线式系泊系统对平台运动和动力特性的影响。余龙等[14]针对多成分锚泊线的组合优化问题，综合考虑锚泊线的回复力、重量与长度等因素，建立深水多成分组合的优化模型，结合遗传算法求解确定模型的最佳形式。朱晓洋等[15]分析张紧式系泊缆破断时平台的运动响应和缆绳张力的变化情况。

基于上述研究，本文以某工作水深为1 400 m的半潜式平台为研究对象，采用时域耦合分析方法，充分考虑风浪流等环境载荷的综合作用，比较采用张紧式与悬链线式系泊的半潜式平台运动和动力响应特性，并对极端载荷作用下部分系泊缆破断后平台的运动响应和其余系泊缆张力的变化情况进行比较分析，为系泊系统的初步设计提供科学依据。

1 系泊系统基本特性

目前已有的海洋平台的定位方式主要有动力定位、系泊定位和系泊-动力定位等3种[16]。其中，多点系泊定位系统以其成本低、可靠度高、施工方便等优势被广泛应用于深水海洋平台上，其主要方式包括张紧式系泊和悬链线式系泊。系泊系统一般通过系泊缆张力和几何变形来抵抗平台所受的外部环境载荷，张紧式系泊系统利用系泊缆的弹性伸长为平台提供各个方向上的回复力，悬链线式系泊系统则依靠系泊缆自身的重力来实现对平台的定位。

由于导缆孔处动张力过大且海底段磨损较严重，悬链线式系泊系统通常采用三段式结构，即只在中间段采用质量较小、强度较低的钢缆结构而在系泊缆两端采用耐磨性强、伸长率低、强度高且质量大的钢链。悬链线式系泊系统在多种海底土质中均可适用，对锚固基础的要求较低，且设备技术简单，安装成本较低，广泛应用于作业水深小于1 000 m的海洋环境。但随着水深的不断加深，悬链线式系泊缆的自身重力也在不断增加，平台竖向载荷的迅速加大不仅使得甲板载重量大幅减小，在一定程度上增加了对浮力的需求，降低了系泊的有效性，而且导致导缆孔处系泊缆的张力倾角变大，间接影响系泊缆的水平回复力，使得平台的水平偏移增大。

张紧式系泊的出现刚好可以解决悬链线式系泊在深海中呈现的一些问题。张紧式系泊系统通常采用钢链-聚酯缆-钢链三段式连接方式，由于其在水中近乎呈直线状，在海底没有躺地段，因此无须铺设很长的钢链，并且中间段用重量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳性能佳的聚酯缆代替普通钢缆。这不仅在一定程度上减轻平台质量、增大可变载荷，而且大幅减小存储所需空间，为有效解决悬链线式系泊系统的短板问题提供可行性方案。近年来，随着吸力锚和法向承载锚技术的逐渐成熟，张紧式系泊系统在深水海域得到越来越多的关注和应用。但由于聚酯缆材料机理不确定性的存在，在发生较大应变时会引起复杂的非线性问题(如滞后效应)，因此难以直接模拟聚酯缆的动力特性。在工程实际中常用基于试验的经验公式获得其弹性模量E[17]：

(1)

式中：ρ为聚酯缆的密度；Tm为平均张力；Ta为载荷幅值；P为激励周期；α、β、γ和δ分别为相对应的系数，对于不同的缆绳，可通过试验确定。

张紧式系泊系统与悬链线式系泊系统的区别如图1和图2所示。

图1 张紧式系泊系统示例

图2 悬链线式系泊系统示例

由图1和图2可知，张紧式系泊系统的系泊半径和系泊缆的长度都比悬链线式系泊系统小很多。系泊半径过大会对附近管缆的铺设及其他平台或船只在该区域的系泊产生不利影响，进而威胁系泊系统自身的安全；系泊缆的长度直接影响系统的制造成本。因此，对于深水作业的平台来说，张紧式系泊系统不论在可行性还是经济性方面都明显优于悬链线式系泊系统。

2 平台系泊系统与环境参数

2.1 平台基本尺度

以某工作水深为1 400 m的半潜式平台为研究对象，该平台具有4个下浮体、4个立柱和双层甲板，甲板以下部分基本沿中横、中纵剖面对称，下浮体相互贯通，内置淡水舱，立柱内也设置舱室，可装压载水和工作设备等。半潜式平台主体视图如图3所示，主尺度参数如表1所示。

图3 半潜式平台主体视图

表1 半潜式平台主尺度参数

2.2 系泊系统模型

张紧式和悬链线式布置图如图4所示。2种系泊方式都采用4×3的组式对称布置的方式，系泊缆间夹角为6°，具体参数如表2所示。

图4 系泊系统布置图

表2 系泊系统系泊缆的材料属性

2.3 海洋环境条件

平台的作业海域为中国南海，在系泊系统工程应用设计过程中，为更好地保证平台响应的随机性并在此基础上对系泊方案的可行性进行校核，选取某设计工况的风浪流参数作为环境条件，波浪采用JONSWAP谱，具体参数如表3所示。

表3 目标海域的环境条件

2.4 系泊设计准则

完整状态指在所有系泊缆都保持完好的情况下系泊系统及半潜式平台正常工作所处的状态；破断状态指当某根系泊缆由于某种原因断裂或失效后系泊系统及半潜式平台工作的状态。为了防止损坏工作设备和立管等，半潜式平台的偏移量(系泊缆最大水平偏移与水深之比)必须控制在一定的范围内。从系泊系统强度考虑，系泊缆的张力也不能过大，因此引入张力安全因数(系泊缆破断强度与所受最大张力之比)作为安全程度的衡量标准[18]。依据API RP 2SK[19]和API RP 2SM[20]规范要求，采用动力分析方法，平台偏移量和系泊缆张力极限的具体规定如表4所示。

表4 API RP 2SK和API RP 2SM规范的位移要求和张力极限

3 计算结果分析

3.1 完整状态下平台运动响应和系泊缆张力特性

理论上，当平台受到的风、浪、流三者同向作用时，系泊系统产生最大临界力。因此，在计算中假定风、浪、流在同一方向上，再以与x轴正方向成 0°、45°、90°等3个方向为例进行分析，具体方向如图4所示。因篇幅有限，仅列举90°方向环境力的统计结果。在该方向的环境力作用下，平台偏移量和系泊缆动张力均达到最大值，更能说明问题。

根据系泊系统的设计参数，利用大型水动力软件OrcaFlex[21]对深水半潜式平台及其2种形式的系泊系统进行时域耦合动力分析。将计算时间设置为10 800 s，通过模拟可以得到平台的运动响应和系泊缆的张力情况，进一步计算出偏移量和安全因数，具体计算结果如表5所示。图5～图8分别给出张紧式系泊和悬链线式系泊下半潜式平台的运动(横荡和垂荡)响应时历曲线，图9～图12为受力较大的6号和7号聚酯缆或钢缆的张力响应时历曲线。

表5 2种系泊系统数值计算结果

图5 张紧式系泊平台横荡响应时历曲线

图6 悬链线式系泊平台横荡响应时历曲线

图7 张紧式系泊平台垂荡响应时历曲线

图8 悬链线式系泊平台垂荡响应时历曲线

图9 张紧式系泊6号聚酯缆张力响应时历曲线

图10 悬链线式系泊6号钢缆张力响应时历曲线

图11 张紧式系泊7号聚酯缆张力响应时历曲线

图12 悬链线式系泊7号钢缆张力响应时历曲线

由表5和图5～图12可知：与悬链线式系泊方式相比，采用张紧式系泊的平台横荡响应大幅减小、偏移量大幅降低，说明在控制平台的水平位移方面，张紧式系泊优于悬链线式系泊。由于系泊系统对称布置，平台纵荡运动几乎为零。值得注意的是在张紧式系泊条件下平台的垂荡位移较大，这是由于张紧式系泊系统系泊缆的中间段采用的聚酯缆材料质量较小，因此其在垂直方向上可提供的回复力也较小。同时，张紧式系泊的运动响应计算结果的标准差都比悬链线式大，在时历响应曲线上表现为张紧式系泊系统运动响应结果的离散性较大，这是张紧式系泊系统材料本身的刚度非线性所导致的。

在系泊缆张力方面，虽然系泊缆顶端钢链的张力大于中间段聚酯缆或钢缆的张力，但考虑到材料本身的破断强度与规范要求的安全因数均不同，顶端钢链处于相对安全的状态，因此选取中间段聚酯缆或钢缆的动张力进行研究。由表5和图5～图12可知，在悬链线式系泊下，受力最大的6号系泊缆其中间段的钢缆最大受力为11 077 kN，安全因数为1.68，略大于API规范要求的安全因数1.67。在张紧式系泊下系泊缆张力的最大值和平均值与悬链线式系泊相比都明显偏小，安全因数有较大的提高，具有更高的安全性。

3.2 破断状态下平台运动响应和系泊缆张力特性

平台在系泊状态下，偶尔会遭遇某些极端载荷(海洋生物的破坏、海洋结构物的碰撞、意外载荷的冲击如地震等)，进而造成某根系泊缆断裂，这种情况不仅会使部分系泊缆张力响应增大而且会对平台的生产作业造成不利影响。一般来说，系泊缆的张力越大越容易断裂。在此算例中，假设极端载荷致使张力最大的6号系泊缆发生破断，其余环境条件均保持不变，在此前提下计算平台的运动响应和系泊系统的动力响应，具体计算结果如表6所示，半潜式平台和7号系泊缆的部分响应时历曲线如图13～图18所示。

表6 6号系泊缆断裂后2种系泊系统数值计算结果

图13 6号系泊缆断裂后张紧式系泊平台横荡响应时历曲线

图14 6号系泊缆断裂后悬链线式系泊平台横荡响应时历曲线

图15 6号系泊缆断裂后张紧式系泊平台纵荡响应时历曲线

图16 6号系泊缆断裂后悬链线式系泊平台纵荡响应时历曲线

图17 6号系泊缆断裂后张紧式系泊7号聚酯缆张力响应时历曲线

图18 6号系泊缆断裂后悬链线式系泊7号钢缆张力响应时历曲线

由表6和图13～图18可知：在受力最大缆断裂的情况下，2种系泊方式下平台的纵荡响应都明显增大，在悬链线式系泊下平台的纵荡位移达21 m，这是因为受力最大的6号系泊缆在发生断裂之后，其本身负荷的张力载荷将分布在其余系泊缆上，系泊系统在变得不对称的同时也加大了平台的水平运动。此外，当系泊缆断裂后，悬链线式系泊下平台的横荡接近90 m，比断裂前增加超过20 m，严重影响平台的生产作业，因此必须进行收放操作或紧急维修，防止系泊系统发生连锁失效反应，以免造成财产损失和人员伤亡。张紧式系泊系统由于自身特性，在一根缆断裂后平台的水平偏移未有较大幅度的增加，系泊系统仍能较好地控制平台的运动，从而确保平台在极端情况下的作业安全。

在系泊缆的张力特性方面，2种系泊方式下受力最大的系泊缆均为7号系泊缆。这是由于在90°环境力作用下，6号和7号系泊缆是迎风缆，受力大于其他系泊缆。在6号系泊缆断裂后，7号系泊缆将成为主承力缆绳。由模拟结果可知，在1根缆断裂后，2种系泊方式下7号聚酯缆的最大张力都有所增大，但仍在安全许可范围内。尽管2种系泊方式缆绳受力的总体变化趋势相差不大，但由表6可知，张紧式系泊缆所受张力的最大值与平均值均小于悬链线式系泊缆。

4 结 论

以某深水半潜式平台为研究对象，采用时域耦合的分析方法，考虑风浪流的联合作用，建立张紧式与悬链线式系泊系统模型，并对其运动响应和动力特性进行比较分析，得出如下结论：

(1) 与悬链线式系泊相比，张紧式系泊具有更适宜的系泊半径，可以承受更大的垂向力，并且系泊缆的长度明显减小，制造成本大幅降低。在系泊缆完好时，张紧式系泊系统具有更优秀的系泊性能，不仅能更好地控制平台的水平偏移，而且具有更小的系泊张力。

(2) 张紧式系泊系统的非线性程度较大，运动响应结果比较离散，因此仍需对其相关的材料机理特性进行更为全面的探索。并且聚酯缆本身重力较小，其提供的垂向力也小，导致平台的垂荡运动幅度在张紧式系泊下有所增加。

(3) 在极端载荷致使受力最大的系泊缆破断的情况下，悬链线式系泊下平台的横荡运动在增加近90 m的同时，因平台系泊系统对称性的丧失，其纵荡运动也大幅增加；张紧式系泊下平台的水平偏移相对较小，且系泊缆张力的最大值和平均值也明显小于悬链线式系泊。由此证明，张紧式系泊系统具有更好的系泊性能。