缆绳预张力和刚度对自升式平台码头系泊性能的影响

张 健，连建鲁，杨 勇，袁洪涛

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003;2.上海外高桥造船有限公司，上海200137)

0 引 言

自升式海洋平台是一种重要的采油设施，平台设备复杂，在船厂码头舾装、维修长达8－10个月，在此期间，平台可能遇到台风天气，自升式平台并未插桩，即桩腿没有下放，平台主体浮于水面。为保证此期间自升式海洋平台安全，特别是遇到台风等恶劣条件的情况，需要对平台进行码头系泊。

自升式平台码头系泊研究对于大型系泊物体也有很大的参考意义。大型船舶和海洋结构物如果在码头系泊不当，遇到恶劣的天气，运动幅度失控，特别是系泊揽断裂后，会造成巨大的破坏。典型码头系泊事故案例发生在1987年，名为“大鹰海”的外国船只在宝钢码头进行系泊，遭遇恶劣海况，系泊缆绳全部断裂，极速撞向码头栈桥，造成200多米的桥体和桥墩的毁坏，同时也造成船体严重损坏［1］。

自升式钻井平台在结构、外形、重心等方面与常规船舶有显著区别，其码头系泊比较特殊。参考半潜式平台的码头系泊方案［2］，考虑到系泊经济性和安全性一般采用中间垫靠驳船的系泊方式。本文在此基础上确定系泊方案，并进行缆绳预张力和刚度对系泊系统影响的研究。

1 自升式平台码头系泊系统

1.1 自升式平台及靠泊驳船参数

本文针对JU2000E型自升式平台计算。靠泊驳船为方形驳船，排水量1 013 t。平台主要参数见表1。

表1 自升式式钻井平台主尺度参数Tab.1 Principal parameters of the self-elevating drilling platform

1.2 系泊缆绳和护舷设置

系泊缆绳采用钢缆，平台码头系泊时13 根缆绳与码头相连，钢丝缆的名义直径为40 mm，破断拉力为1 158 kN。码头护舷压缩性能(力学特性)为受压力57.9 t 时压缩52.5%;受压力61.5 t 时压缩55.5%。

1.3 坐标系和环境参数的确定

考虑平台多自由度的运动，综合流向、风向、波浪方向以及平台和码头的相对位置，设定如图1所示坐标系。

图1 自升式平台系泊大地坐标系Fig.1 Coordinate system of the jack up drilling platform quay mooring system

图1 大地坐标系为OXY，平台侧面长边平行靠泊驳船，中间用橡胶碰垫接触，风、浪、流指向平台。平台随体坐标系为(o1x1y1)与大地坐标系夹角为30°。平台坐标原点为平台中心基线处。驳船的坐标系(o2x2y2)与大地坐标系平行，坐标原点在驳船几何中心。

船舶在码头上进行系泊时，有3 种运动形式对系泊缆绳的受力和码头护舷的受力影响最大，分别为船舶的纵荡、橫荡、首摇，而另外3个自由度对结果的影响不大，可以忽略［3］。自升式平台系泊，考虑到多个自由度的运动，也参考此结论，故设置以上坐标系。

1.4 平台风、流载荷系数的确定

根据OCIMF 风、流载荷计算公式，结合计算流体力学软件Fine/Marine 计算出风载荷系数值，公式为:

式中:Asurge，Asway，Ayaw 分别为纵荡、横荡、首揺面积。Csurge，Csway，Cyaw 分别为对应的载荷系数。

图2 Fine/marine 平台水上模型(风载荷)Fig.2 The model of platform in fine/marine about wind

图3 Fine/marine 平台水下模型(流载荷)Fig.3 The model of platform in fine/marine about flunt

Fine/Marine 采用非定常计算方式计算载荷，湍流模型为κ－ε模型［4］，将平台整体表面定义为body 采用壁面条件，流域上下表面采用Frozenpressure 条件，入流口加流速，其他边界设置为远场条件。

本文简化了风载荷数值模型，取桁架桩腿每侧满足实际投影面积的30%［5］，将桩腿截面等效为正三角柱体［6］，井架等效为长方体。计算风速采用28.4 m/s，流速1.54 m/s。得出风、流载荷系数如图4～图5所示。

图4 风载荷系数Fig.4 The coefficents of wind

图5 流载荷系数Fig.5 The coefficents of flunt

1.5 系泊方案的确定

自升式平台码头系泊模拟地点设定在上海外高桥码头。参考码头缆桩布置，采用系泊方式如图6所示。

图6 平台码头系泊方案Fig.6 The quay mooring scheme of platform

图6 中连接自升式平台和码头缆绳编号1～13，连接平台和靠泊驳船的缆绳编号A～D。连接驳船和码头的缆绳在计算中受力始终很小，对系泊系统影响较小，固不作为后续计算分析缆绳。

2 缆绳预张力分布对系泊影响

2.1 缆绳预张力分布

预张力表示在无环境载荷状态下，通过绞车绞紧给系泊缆提供的初始张力值。本节寻找A～D 缆绳相对于1～13 合理的预张力大小。1～13 号缆绳采用10 t 预张力，A～D 号缆绳分别设置2 t，6 t，10 t 预张力。风向设定离岸风和沿岸风向，计算间隔30°，最终得出缆绳在不同风向下的受力作为对比数据。

表2 计算方案Tab.2 The calculation scheme

2.2 计算结果分析

图7 表示缆绳1～13和A～D 在3 种方案下的最大受力值。

图7 三种方案各缆绳最大受力Fig.7 The max line force in three kind of scheme

图8 表示各个缆绳在3 种方案下受力值大小随风向的变化情况。图8(a)，8(b)，8(c)为1～13 号缆绳随风向受力变化值，图8(d)，8(e)，8(f)为A～D 号缆绳随风向受力变化值。

由图7 可知:1)随着驳船与平台连接的缆绳A～D 预张力增大，平台与码头相连缆绳line1～13最大受力基本不变;2)缆绳A～D 最大受力值随初始预张力增加而增大，极值均在安全范围之内。

由图8 可知，1)缆绳line1～13 在3 种预张力方案下变化趋势一致;2)缆绳lineA～D 三种预张力增加的情况下受力变大;3)在10 t 预张力情况下，缆绳承受力相对均匀。计算总结:

图8 A～D 三种预张力方案下各缆绳受力Fig.8 The line force under 3 kind of pre-tension about A～D line

1)保持所有缆绳预张力一致更有利于保持系泊系统的稳定性;

2)风向0°，150°，180°情况下平台与码头连接的缆绳受力极值会很大;

3)风向90°的情况下，平台和驳船之间的缆绳受力极值最大。

后续计算会重点分析这几个方向的缆绳受力。

3 缆绳预张力及刚度对系泊的影响效果对比

3.1 计算工况

刚度是系泊缆绳的刚度特性，双倍刚度代表2 根系泊缆绳系泊在同一位置，具体计算将刚度加倍即可。

在上节方案基础上，设定所有缆绳预张力相同，采用4 种系泊计算工况分析缆绳预张力、刚度的影响:

1)每根系泊缆为10 t 预张力，单倍刚度;

2)每根系泊缆为30 t 预张力，单倍刚度

3)每根系泊缆为10 t 预张力，双倍刚度;

4)每根系泊缆为30 t 预张力，双倍刚度风速28.4 m/s，风向设定离岸风和沿岸风向，计算间隔30°，最终求出对比数据，通过分析平台位移、系泊缆受力与各个工况的关系，分析缆绳预张力和刚度值对系泊系统的影响。

3.2 计算结果分析

重点分析0°，90°，150°下，缆绳line4，line12，lineD 极限受力和平台纵荡、横荡、首摇幅度。

表3 计算结果对比Tab.3 Comparison of calculated results

如表3 结果所示:0°风向下平台的纵荡运动，此方向风和流均沿纵向给平台施加力，如图双倍刚度对降低纵荡运动幅度的效果明显好于缆绳预张力的增加。90°风向下平台横荡运动和150°风向下平台首摇运动也呈现相同的规律，双倍刚度带来的降低横荡和首摇的效果由于增加预张力。

缆绳line12，line4，lineD 在风向为150°，0°，90°的情况下的张力值大小，这些方向为缆绳最危险的受力方向。结果依然表明缆绳刚度的增加对最终张力值的减小效果明显优于增加预张力。最终可知双倍刚度(双股缆绳)会有效降低危险缆绳最终受到的张力值大小，使系泊系统更加安全。

4 结 语

通过上述分析，可以得出如下结论:

1)保持所有缆绳预张力一致更有利于保持系泊系统的稳定性;

2)在一定程度内增加系泊缆绳预张力可以改善系泊系统运动和缆绳受力;

3)系泊缆绳双刚度可以有效减小平台的运动，大幅降低单根缆绳最终受力;

4)增加系泊缆刚度往往效果好于增加预张力;

5)特定方向的缆绳需格外加强，例如平台首尾部的倒缆，艏艉护舷也需加强。

［1］林兆全.浪流作用下系泊船舶撞击力和系缆力试验研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

［2］吴小鹏.深海半潜式钻井平台码头系泊数值计算与模型试验研究［D］.上海:上海交通大学.

［3］OCIMF.Mooring Equipment Guidelines 3rd Edition［S］.London，England，2007.

［4］侯爱波，汪梦甫.建筑数值风洞的基础研究［J］.湖南大学学报，2007，34(2):21－24.HOU Ai-bo，WANG Meng-fu.Fundamental research of the architectural numerical wind tunnel［J］.Journal of Hunan University，2007，34(2):21－24.

［5］唐友刚，张素侠.深海系泊系统动力特性研究进展［J］.海洋工程，2008，26(1):120－126.TANG You-gang，ZHANG Su-xia.Advance of study on dynamic characters of mooring systems in deep water［J］.The Ocean Engineering，2008，26(1):120－126.

［6］赵胜涛，张海燕.自升式平台桁架桩腿风载荷研究［J］.中国海洋平台，2014，29(1):29－36.ZHAO Sheng-tao，ZHANG Hai-yan.The wind study on the truss leg of jack-up units［J］.China Offshore Platform，2014，29(1):29－36.