錨泊對(duì)固定地點(diǎn)外部環(huán)境載荷的影響

錨泊對(duì)固定地點(diǎn)外部環(huán)境載荷的影響

0錨泊系統(tǒng)的研究與船只不同，海洋平臺(tái)不能避免不良的海流。為了長(zhǎng)時(shí)間服務(wù)于固定地點(diǎn)，我們需要中斷系統(tǒng)，以便削弱外部環(huán)境壓力，有效提高平臺(tái)的水動(dòng)力性能，為船舶停靠和工人生活提供安全保障。因此，錨泊系統(tǒng)是海上浮體不可或缺的組成部分，該系統(tǒng)的可靠性對(duì)于海上浮體而言是相當(dāng)重要的。對(duì)于不同水深、不同類(lèi)型的浮式結(jié)構(gòu)物采用不同的錨泊形式。目前，錨泊系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)主要是錨泊布置分析模型、錨泊線(xiàn)材料的非線(xiàn)性特性、錨泊線(xiàn)松弛-張緊的交替現(xiàn)象、錨泊系統(tǒng)的系纜張力研究、錨泊系統(tǒng)的阻尼以及海底復(fù)雜的地形對(duì)錨泊系統(tǒng)的影響等。分析方法和計(jì)算方法的研究更為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所側(cè)重：柳輝本文對(duì)特定的菱形式浮式風(fēng)電運(yùn)維生活平臺(tái)，如圖1和圖2所示，其中：δ為平邊長(zhǎng)、β為攻角、L為船長(zhǎng)、B為船寬、d為吃水、D為型深?？紤]到黃海海域特定的海況，針對(duì)性設(shè)計(jì)其錨泊系統(tǒng)，以保證平臺(tái)具有優(yōu)良的水動(dòng)力性能、可靠性和安全性等。1錨泊線(xiàn)設(shè)置原則浮式平臺(tái)錨泊設(shè)計(jì)不僅需要滿(mǎn)足定位和運(yùn)動(dòng)的要求，還要保證錨鏈張力最小，因此在設(shè)計(jì)初期，需要根據(jù)所處海域海洋環(huán)境、海底土壤情況和使用要求初步確定布設(shè)方向、錨泊線(xiàn)數(shù)量及主要參數(shù)。錨泊線(xiàn)種類(lèi)、單位長(zhǎng)度重量、破斷拉力等在確定主要參數(shù)時(shí)需首先考慮，然后校對(duì)初始錨泊線(xiàn)參數(shù)在設(shè)計(jì)海況下是否合適。圖3為螺旋式上升的錨泊設(shè)計(jì)流程圖。2設(shè)計(jì)要求2.1錨泊系統(tǒng)錨鏈的許用強(qiáng)度的影響平臺(tái)偏移是由風(fēng)、浪、流等載荷作用引起的偏移量因此可以根據(jù)最大偏移計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，然后取2個(gè)最大值X式中：X因?yàn)樵阱^泊系統(tǒng)中的預(yù)張力越大，平臺(tái)受風(fēng)、浪、流等引起的水平位移就越小，同時(shí)，錨鏈的許用強(qiáng)度可以承受平臺(tái)發(fā)生最大位移時(shí)錨鏈的最大張力，所以應(yīng)在錨鏈的許用強(qiáng)度下提高錨鏈的預(yù)張力。2.2錨泊線(xiàn)張力要求錨泊線(xiàn)最大張力是取兩個(gè)最大值T式中：T張力安全系數(shù)計(jì)算公式為式中：P根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》中的規(guī)定3錨泊系統(tǒng)的選擇和確定3.1多點(diǎn)錨泊系統(tǒng)錨泊方式一般有張緊式和懸鏈?zhǔn)?種，由于此海洋生活平臺(tái)需要具備良好的靠泊能力，因此采用多點(diǎn)錨泊。再由于多點(diǎn)錨泊在張緊狀態(tài)下限制平臺(tái)垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，無(wú)法滿(mǎn)足平臺(tái)適應(yīng)漲潮落潮的設(shè)計(jì)要求，會(huì)導(dǎo)致漲潮期間，平臺(tái)吃水增加。在考慮以上因素和人員在平臺(tái)上的生活以及作業(yè)水深等情況，本生活平臺(tái)采用懸鏈?zhǔn)藉^泊方式。3.2錨泊線(xiàn)錨泊線(xiàn)組成材料一般包括錨鏈（有檔和無(wú)檔錨鏈）、鋼纜和合成纖維纜3大類(lèi)3.3大抓力錨的特點(diǎn)考慮本平臺(tái)所處海域海底是粘土和巖石，平臺(tái)停泊久和吃水淺等一系列因素，同時(shí)結(jié)合各類(lèi)錨的特點(diǎn)，由于大抓力錨整合了無(wú)桿錨和有桿錨的優(yōu)點(diǎn)，錨爪寬且長(zhǎng)，作業(yè)嚙土深，抓重比大（12～14），穩(wěn)定性較好，作業(yè)方便。故錨采用大抓力錨。4錨泊方案設(shè)計(jì)根據(jù)黃海海域特定的海洋環(huán)境和浮式風(fēng)電運(yùn)維生活平臺(tái)特殊的菱形式結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)計(jì)算平臺(tái)水平環(huán)境載荷，來(lái)確定其錨泊布設(shè)型式及錨泊線(xiàn)狀態(tài)參數(shù)，以達(dá)到對(duì)錨泊方案合理的設(shè)計(jì)。4.1環(huán)境負(fù)荷分析4.1.1設(shè)計(jì)作業(yè)風(fēng)速根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中要求，生存工況下最小設(shè)計(jì)作業(yè)風(fēng)速為51.5m/s，設(shè)計(jì)工況下最小設(shè)計(jì)作業(yè)風(fēng)速為36m/s。本平臺(tái)取設(shè)計(jì)作業(yè)風(fēng)速V=36m/s，風(fēng)載荷F式中：C根據(jù)式（8），計(jì)算得到平臺(tái)縱向和橫向上各構(gòu)件風(fēng)載荷如表1所示。4.1.2流量損失作用在平臺(tái)水下構(gòu)件海流載荷F式中：C平臺(tái)部分水下主體承受海流載荷，本平臺(tái)的縱向和橫向海流載荷可由式（9）計(jì)算得到，如表2所示。4.1.3同譜密度函數(shù)本平臺(tái)用JONSWAP波譜分析波浪環(huán)境，JONSWAP譜的計(jì)算公式為式中：S(f)為波譜密度函數(shù)，(m/sTγ可由式（11）計(jì)算取得。根據(jù)設(shè)計(jì)工況，取H4.1.4v本平臺(tái)護(hù)測(cè)定船在停泊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊力，一般用能量公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：式中：E根據(jù)《港口工程載荷規(guī)范》，滿(mǎn)載時(shí)船舶排水量M對(duì)應(yīng)V本平臺(tái)為風(fēng)電運(yùn)維生活平臺(tái)，因此停泊的船是小型交通船和風(fēng)電運(yùn)維船，滿(mǎn)載排水量一般不超過(guò)50t，代入式（9）可得，平臺(tái)的有效停泊沖擊能量不到2kJ，平臺(tái)的沖擊反作用力很小，可由圖7所示的護(hù)舷性能曲線(xiàn)得到。因此本平臺(tái)設(shè)計(jì)錨泊系統(tǒng)可以不考慮停泊沖擊力的影響。4.2系泊布置方案平臺(tái)水平載荷在風(fēng)、浪、流載荷處于同一條直線(xiàn)上時(shí)最大，因此由環(huán)境載荷分析可得。最大縱向水平載荷：最大橫向水平載荷：式中：F本平臺(tái)水深取黃海海域水深平均值46m，根據(jù)第3節(jié)內(nèi)容確定錨泊方式為懸鏈?zhǔn)剑紤]不同的布置形式張力值和運(yùn)動(dòng)性能不同，且橫向載荷比縱向載荷大的多，因此初步設(shè)計(jì)4套系泊布設(shè)方案以達(dá)到盡量小的張力和良好的運(yùn)動(dòng)性能，同時(shí)可以更好地平衡橫縱方向上的載荷。取縱向?yàn)閤方向，橫向?yàn)閥方向。方案1：在x方向兩邊各布置一條錨鏈，y方向兩邊各布置3條錨鏈，y方向錨鏈參數(shù)相同，1條與y軸共線(xiàn)，其余2條在平臺(tái)x方向左右兩邊與x軸夾角75°，x方向錨鏈與y方向錨鏈參數(shù)不同，設(shè)x方向錨鏈為I方案2：由式（13）、式（14）可得tanα=F方案3：在x方向兩邊各布置1條錨鏈，此錨鏈參數(shù)相同，設(shè)為II方案4:x方向兩邊各布置兩條錨鏈，每條錨鏈與x軸夾角為45°，這4條錨鏈參數(shù)相同，設(shè)為IV為使方案具有較強(qiáng)的可比性，保證4個(gè)方案中錨和鏈的安全系數(shù)和總體質(zhì)量相當(dāng)。導(dǎo)纜孔的位置需考慮平臺(tái)與系泊頂部裝置兩者因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的相互制約和船舶?？繉?duì)錨泊線(xiàn)產(chǎn)生的影響等因素，因此設(shè)計(jì)時(shí)平臺(tái)浮心上不可有導(dǎo)纜孔。一般，運(yùn)輸船和運(yùn)維船吃水1.2m左右，考慮平臺(tái)是雙層底，初定導(dǎo)纜孔位于水線(xiàn)面下2.7m。表3為4種方案導(dǎo)纜孔坐標(biāo)。4.3確定錨泊參數(shù)4.3.1錨鏈?zhǔn)藉^固結(jié)構(gòu)自適應(yīng)方案根據(jù)文獻(xiàn)根據(jù)4種布置形式，方案1中，Y方向錨鏈I方案2中，x,y方向都有4條錨鏈，每條錨鏈的所受平均載荷方案3中，同上，錨鏈在x,y方向受力與方案1幾乎相同，因此選取III方案4中，同上，IV以上方案的每條鏈長(zhǎng)都取138m，計(jì)算可得：方案1～方案4的質(zhì)量分別為81.33t、82.91t、81.33t、79.16t，質(zhì)量相差不大。采用靜力分析法，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)錨鏈I4.3.2固定點(diǎn)位置的確定根據(jù)文獻(xiàn)根據(jù)對(duì)錨種類(lèi)和參數(shù)的確定，本系泊系統(tǒng)選擇AC-14大抓力錨。查文獻(xiàn)由所得到的錨鏈和錨泊參數(shù)可知方案1～方案4錨泊系統(tǒng)的總噸位分別為：115.32t、112.27t、115.32t、107.78t。因此，依據(jù)錨泊布置和參數(shù)，錨泊固定點(diǎn)坐標(biāo)的位置即可確定，4種方案錨固點(diǎn)坐標(biāo)位置如表7所示。對(duì)比4種方案的錨固點(diǎn)位置可知：方案3錨固點(diǎn)位置會(huì)造成結(jié)構(gòu)橫蕩和縱蕩慢漂運(yùn)動(dòng)幅值最大，方案4錨固點(diǎn)位置會(huì)造成結(jié)構(gòu)縱蕩慢漂運(yùn)動(dòng)幅值最大，方案1和方案2雖然也會(huì)造成結(jié)構(gòu)橫、縱蕩慢漂運(yùn)動(dòng)幅值偏大，但相對(duì)于方案3和方案4則更優(yōu)。因此，本文將對(duì)方案1和方案2在生存工況下的錨泊線(xiàn)張力作進(jìn)一步研究。5浪向張力時(shí)程為進(jìn)一步確定錨泊方案，研究方案1和方案2在生存工況下各錨鏈的受力，得到準(zhǔn)確性較高的結(jié)果，本文將對(duì)各系泊纜進(jìn)行3h的時(shí)域計(jì)算模擬。設(shè)置浪向角為0°～180°范圍，并以30°逐漸遞增。整理模擬數(shù)據(jù)得到其最大值和平均值，并進(jìn)行比較分析。圖10為方案1和方案2的8號(hào)錨鏈在生存工況下浪向角為90°時(shí)的張力時(shí)程圖。圖11為方案1和方案2各錨鏈平均張力值和最大張力值的對(duì)比。觀(guān)察圖11可以得出，方案2各錨鏈張力波幅小，受力較方案1更加均衡。由于在生存工況下，方案2系泊布置時(shí)縱向和橫向均有4條錨鏈一起承受外載荷，因此，避免了1號(hào)和5號(hào)錨鏈承受較大的張力。同時(shí)，對(duì)方案1和方案2各錨鏈在浪向0°～180°時(shí)的拉力安全因子進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。由圖12可知：方案1中，1號(hào)和5號(hào)錨鏈（即I6錨泊方案設(shè)計(jì)及校核本文對(duì)特定的菱形式浮式風(fēng)電運(yùn)維生活平臺(tái)及黃海海域特定的海洋環(huán)境，根據(jù)平臺(tái)位移偏移和錨泊線(xiàn)張力的要求，確定錨泊方式、錨泊線(xiàn)以及錨的種類(lèi)，對(duì)提出的4種錨泊方案，根據(jù)平臺(tái)風(fēng)浪流等水平環(huán)境載荷進(jìn)行計(jì)算，并給出4種方案導(dǎo)纜孔的位置坐標(biāo)，再將4種錨泊方案運(yùn)用靜力分析法對(duì)錨鏈參數(shù)進(jìn)行計(jì)算校核，并計(jì)算錨所受的載荷以確定錨的型號(hào)，得出錨固點(diǎn)坐標(biāo)位置，通過(guò)對(duì)比分析選出2種相對(duì)較優(yōu)的錨泊系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案。最后，研究初選的2種錨泊方案在生存工況下的錨泊線(xiàn)張力，對(duì)錨鏈平均張力和最