张力腿平台码头舾装阶段系泊系统设计

第33卷第4期 2018年8月
中国海洋平台
CHINA O FFSH O R E P LA TFO R M
Vol. 33 No. 4
Aug.，2018
文章编号：1◦◦ 1-45〇〇(2〇18) 〇4-〇〇27-〇5
张力腿平台码头舾装阶段系泊系统设计
李金来，梁艳霞
(海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520)
摘要：研究张力腿平台（Tension Leg Platform，T L P)码头舶装阶段系泊系统设计的关键技术，包括：系泊方案的设计要点、系泊环境载荷的计算方法、系泊力的时域计算和系泊应急预案准备等。

以一艘深水T L P
在L型码头的系泊为例，详细介绍T L P的系泊技术，提出一套切实可行的系泊方案。

研究成果可为T L P建造
提供参考。

关键词：张力腿平台；舶装；系泊
中图分类号：T E951 文献标识码：A
Mooring Analysis of TLP During Outfitting Stage
LI Jinlai，LIANG Yanxia
(Offshore Oil EngineeringCQingdao) Co. , Ltd. , Qingdao 266520, Shandong, China)
Abstract ：The key techniques for the mooring system design of the tension leg platform (T L P) during outfitting stage are studied, including the design points of mooring scheme, the
calculation method of the mooring environment load, the time domain calculation of mooring
force and the preparation of the mooring emergency plan. Taking the mooring of a deep-water
TLP at L-shaped wharf as an example, the mooring technology of TLP is introduced in detail,
and a feasible mooring scheme is put forward. The research results can provide reference for
the construction of TLP.
Key words：Tension Leg Platform (T L P)；outfitting；mooring
〇引言
张力腿平台（Tension Leg Platform，T LP)作为一种较为新型的海洋平台结构，其最早的工程使用可追 溯至1984年（H U TTO N平台）。

在2000年以前，海洋工程界对于T L P的研究大多采用基础理论的方法，张智等[1]对20世纪90年代后的T L P发展状况进行归纳，给出当时部分T L P的详细数据。

2000年以后，随 着T L P的基础理论逐渐成熟、结构型式基本固定，海洋工程界开始将热点逐步转向对T L P动力性能、系泊 方法等具体问题的设计与优化工作。

JA IN[2]根据一阶波浪力分析T L P的动态响应，考虑平台在规则波浪 力下六自由度的耦合运动。

CH AN D RASEKARAN等[3_4]在JA I N的研究基础上，采用类似的计算方法，进 一步研究三边型T L P在不规则波中的运动响应情况以及不同浪向角对三边型和四边型T L P运动的影响。

收稿日期：2017-06-04
作者简介：李金来（1979 —），男，高级工程师，主要从事海洋工程建造工作，Em aiM ijinl@
• 28 •中国海洋平台第33卷第4期TA BESH PO U R 等[5]采于P M 波浪谱模拟随机波，考虑随机波以任意浪向角作用在结构上的情况，在时域 和频域中对T L P 进行非线性动态分析。

李飒等[6=归纳当前T L P 锚泊系统和锚固基础的发展情况。

杨雄文 等[7]论述T L P 的结构型式并对其总体性能进行分析。

崔娜等[8]运用全耦合分析H A R P 软件，对某传统 T L P 及其系泊系统进行时域耦合分析，确定其在不同环境载荷下的运动响应及张力筋腱的受力情况；并校 核在系泊系统损坏条件下，平台的运动响应及筋腱强度是否满足规范要求。

谷家扬等[9]基于数值模拟和模 型试验方法，对随机波浪中T L P 的耦合运动及系泊系统特性进行研究，得出的结论是：在较低海况时，考虑 浪和流时的张力腿与不考虑流的情况差距不大;在较高海况时，流的影响不可忽略，考虑流的张力腿变化幅 度要略大于不考虑流的情况。

目前国内外对于T L P 在运营状态下的动力性能研究已经较广泛和成熟，但对于T L P 码头系泊的研究 目前公开发表的文献较少。

事实上，T L P 的码头系泊与其他大型船舶或海洋结构物有相似之处，但又存在 较大差异，主要为系泊方案、系泊力的计算、系泊应急预案的编制等差异。

本文主要针对上述问题展开研究。

1系泊方案设计
T L P 具有平台的共同特性，即具有较小的长宽比。

但是又具有不同于其他平台的特殊性，如突出的立 柱，立柱上设置有突出的张紧器等。

T L P 码头的系泊方案应当充分考虑上述特殊性，并遵循以下原则：（1) 系泊缆应尽量关于平台对称布置；（2)横缆应尽量垂直于平台的中纵剖面，且尽量接近舷侧；（3)倒缆应尽量 与平台的中纵剖面平行；（4)尽量减少系泊缆的垂向角度；（5)所有系泊缆应尽可能采用相同材料且直径相 同；（6)应保持相同功能的缆绳粗细和材料相同；（7)应尽量使具有相同功能的系泊缆长度一致，以使得较短 的系泊缆能吸收更多载荷。

此外，由于T L P 上部模块的水平范围大于浮体的范围，因此系泊时应在平台与 码头之间设置浮箱。

浮箱一方面可以起缓冲作用，另一方面可以保I _
j
证T L P 的系泊安全。

本文重点研究深水T L P 的系泊问题。

平台的主尺度为：立柱
间距54. 5 m ，立柱直径17. 8 m ，立柱高度46. 2 m ，浮箱宽度
9. 07 m ，浮箱高度7 m ，上部模块甲板尺寸61. 4 mX 56. 1 m ，上部模
块甲板型深8 m 。

L 型码头系泊是海洋平台舾装系泊的常用方法。

按照上述原则，设计深水T L P 在L 型码头的系泊方案，如图1所
示。

系泊方案中采用11根缆绳，其中1#、6#〜11#等7根缆绳
用于固定码头与平台，2#与3#用于固定浮箱与平台，4#与5#也
用于固定浮箱与平台。

2环境载荷
系泊中需要考虑风、流和波浪载荷，环境载荷参数需要根据舾
装码头的水文气象资料选取。

2.1风载荷计算
风载荷以最恶劣的侧面受风状态计算：
Ra = 9. 81K a Aa V2a X 1〇-3式中：K a 为系数，横向系数取K a = 0.073 5,纵向系数取K a = 0.042 9;A a 为水线以上风压方向投影面积； Va 为相对风速。

2.2流载荷计算
前后方向流载荷为
Rw L = 9.81X 0.121 2A w [(y w +y s)2 + 0.330(y w +y s )]x l 〇-3
(2)
式中：A w 为平台的浸水面积;VW 为潮流速度;VS 为平台移动速度。

(1
)
第4期李金来，等张力腿平台码头舾装阶段系泊系统设计• 29 •
2.3波浪载荷计算
基于势流理论基本假设计算T L P 系泊的波浪载荷。

一阶速度势的控制方程和定解条件:
控制方程为V 2(p (x 9y 9z 9t ) = 0
式中：V 2为拉普拉斯算子…为速度势为坐标W 为时间。

自由面条件为
式中：g 为重力加速度。

物面条件为
式中：S 为物体的外表面;72为物面外法向单位矢量;为物体的运动速度。

底部条件为
f
=0z =-h 式中：H 为水深。

应用叠加原理，总的速度势可表达为
d c p
d n
Un (3)(4)
(5)(6)cpix^y^z^t) = ^! ( j : , 3;, 2：, /：) + ( j : , 3;, 2：, /：) + 9r ( j : , 3;, 2：, /：)(7)
式中：P i 为入射势;P d 为绕射势；外为辐射势。

本文采用A Q W A 软件求解上述问题。

在A Q W A 软件中，速度势的
求解采用边界元法。

基于线性波理论对平台的性能进行分析，仅需考虑
平台在静水面以下的部分。

为保证计算精度，网格尺寸应不大于环境载
荷最小波长的1/7,但过小的网格尺寸会显著增加计算量，降低计算速
度。

综合考虑精度与效率问题，本文将网格尺寸取1 200 mm。

T L P 三
维边界元模型如图2所示。

2.4频域分析 图2 TLP 的边界元模型
分别计算平台的力、速度、加速度等的幅值响应算子（Response Am-
plitude 〇pemt 〇r ，RA 〇），如图3所示。

根据频域的计算结果，可以得到不同海浪频率下的波高分布图。

频 率0. 349 md/s 、方向一 180°的波高分布如图4所示。

图3横荡运动幅值响应算子图4频域数值模拟频率0. 349 md/s 、方向一 180°的波高分布
由图4可以看出：在一 180°浪向下，响应函数R A O 在横荡方向上随着频率变化较大，波高的最大值为
1.74 m ，得到有义波高在1.0 m 附近。

在A Q W A 软件中，得到T L P 在6个自由度上的总体运动响应，
为时
• 30 •中国海洋平台第33卷第4期i-1 1 ^ {l.oool 0.750! 0.500! 0.250 I 0.000 ^0.000綠屬義_§«^_麵 '1 :， ： ：500.000I 000.000tfc fin i/o 1 500.000
域计算中缆绳拉力的计算提供数据。

2.5环境参数的选择
针对本项目研究的深水T L P ，环境载荷的选取见表1。

根据表1的参数，分别计算风载荷、流载荷和波浪载荷，用于系泊分析。

表 1 T L P 系泊载荷环境
编号
项目一般工况1
风速/(m • s -024. 42
流速/(m • s -1)0. 53有义波高/ m 1.03 ft }*图5 io #缆绳受力时域分析
3.1时域分析方法
将频域计算得出的T L P 附加质量、阻尼系数、波浪激励力以及每个波长、每个波浪方向上的漂移力输入 A QW A -D RIFT 模块，计算平台在较长时间内在给定波浪谱的随机波条件下的慢漂运动响应。

同时，在模型 中建立平台系泊点和码头系泊点，将缆绳布置方案计入计算模型，对各缆绳的系缆力进行计算，分析各缆绳 的系泊力。

3.2深水半潜式钻井平台缆绳最大拉力分析
采用时域分析方法，可以得到各缆绳的最大拉力。

在图1所示系泊方案下，10#缆绳的受力时域曲线如 图5所示，可以看出：在恶劣条件下，缆绳最大拉力达到1 134 kN ，平稳阶段缆绳的最大拉力平均为330 kN ， 可为缆绳的选择提供依据。

绘制图1所示方案中11根缆绳的拉力时域分布曲线，从中得到平稳状态下缆绳的最大拉力值，见表2。

经校核，各缆绳的最大拉力均小于破断拉力的50%，系泊方案满足强度要求。

表2
平稳阶段各缆绳的最大拉力 kN 缆绳编号
1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#平稳阶段最大拉力150. 6166. 8182. 2210.2221.3345. 1581. 2272. 2243. 6330.0180.24应急预案的准备
在平台码头系泊完成后，必须保证一天24 h 对船坞、系泊缆绳进行监护。

对于系缆绳穿过导索孔的部 分，要特别注意，随时关注任何损耗迹象的发生。

尽量保证所有系泊缆绳一直保持相同的拉力。

如果港区潮 差较大，落潮时系泊缆绳会变松弛，涨潮时缆绳又变紧，因此要对缆绳力进行细微的调整。

当风力超过8级(风速大于17. 2 m /s )时，需专人24 h 额外看护；当风力等于或者大于10级（风速大于 24.5 m /s )时，应启动系泊安全应急响应预案。

考虑到平台码头系泊的具体情况，应急预案的准备如下：（1) 在已有浮箱两侧增加浮箱靠球，保证平台在与码头的相对运动中，不损伤码头和平台；（2)所有的缆绳和登船 设施都要仔细进行检测以确定是否有损坏。

如果有损坏，必须立即采取增补缆绳的措施进行补救；（3)在已 有系缆索基础上，增加缆绳，使得每个系泊点都是同规格双缆，且张紧度相同“4)T L P 紧急打压载水，让平 台迅速下沉降低高度；（5)连接平台水下部分和码头水底；（6)平台上所有施工人员和工作人员撤离；（7)拆除 平台中较高的结构物，并将平台较高结构物与码头用缆绳连接；（8)将平台上部模块4个方向用缆绳固定，并 将缆绳固定于码头吊机的吊钩上，升高吊钩使缆绳预张紧。

5结论
(1)对比各种T L P 的码头系泊方案，L 型的系泊方案最佳，转角处的缆绳拉力最大，可以在此处加强安全监控。

(10K )/垵只
第4期李金来，等张力腿平台码头舾装阶段系泊系统设计•31 •
(2)在一个潮汐周期内：涨潮时，T L P相对码头上升，系泊缆松弛，约束减少，在极端天气时，运动响应 增大，显著增加系缆力r落潮时，T L P相对码头下降，系泊缆张紧，约束增加，在极端天气时，缆绳张紧约束
T L P不做剧烈运动响应，系缆力减小。

(3)采用A Q W A-D RIFT模块对缆绳受力情况进行时域数值模拟，能计算出各个缆绳的受力情况。

应 急预案要考虑极端天气条件，选择合适的缆绳，必要时应增加系揽。

参考文献
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[8]崔娜，孙丽萍，郭强.张力腿平台及系泊系统耦合动力分析[C]//第十六届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集，2013.
[9]谷家扬，吕海宁，杨建民.随机波浪中张力腿平台耦合运动及系泊系统特性研究[J].海洋工程，2012, 30(04): 42-48.
(上接第26页）
3. 6试验结果
D机实际试验中的各项数据见表3,其调速、调压、频率等各项指标均满足要求。

表3调试试验数据
试验内容
单机25%、50%额定负载试验
0〜50%负载突加/突卸试验
75%、100%额定负载试验即有功、无功分配试验单机100%〜0负载突卸试验
试验数据
25%、50%负载各运行3〇111丨11，各项指标正常
瞬时转速波动8%，稳定时间4 s
瞬时转速波动3%，功率分配差<150k W，稳定时间5 s 瞬时转速波动8%，稳定时间5 s
4结论
通过本次对垦利油田去电网扩容改造不断电试验方案的设计、优化和实施，证明优化方案的可行性。

该
方案具有良好的经济效益:共节约2套干电阻的租金及往返海上平台的运输费，共计人民币约180万元，避
免油田产量损失折合人民币约170万元，总计节约人民币约350万元。

从油田开发设计的角度看，对于有后期电网扩容需求的油田，在油田建设初期应采用主配电盘分段设计
且具备分段独立供电运行能力的设计方案，方便后期扩容施工和调试的需求。

参考文献
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