锚泊对固定地点外部环境载荷的影响

锚泊对固定地点外部环境载荷的影响

0锚泊系统的研究与船只不同，海洋平台不能避免不良的海流。为了长时间服务于固定地点，我们需要中断系统，以便削弱外部环境压力，有效提高平台的水动力性能，为船舶停靠和工人生活提供安全保障。因此，锚泊系统是海上浮体不可或缺的组成部分，该系统的可靠性对于海上浮体而言是相当重要的。对于不同水深、不同类型的浮式结构物采用不同的锚泊形式。目前，锚泊系统研究的热点主要是锚泊布置分析模型、锚泊线材料的非线性特性、锚泊线松弛-张紧的交替现象、锚泊系统的系缆张力研究、锚泊系统的阻尼以及海底复杂的地形对锚泊系统的影响等。分析方法和计算方法的研究更为国内外学者所侧重：柳辉本文对特定的菱形式浮式风电运维生活平台，如图1和图2所示，其中：δ为平边长、β为攻角、L为船长、B为船宽、d为吃水、D为型深。考虑到黄海海域特定的海况，针对性设计其锚泊系统，以保证平台具有优良的水动力性能、可靠性和安全性等。1锚泊线设置原则浮式平台锚泊设计不仅需要满足定位和运动的要求，还要保证锚链张力最小，因此在设计初期，需要根据所处海域海洋环境、海底土壤情况和使用要求初步确定布设方向、锚泊线数量及主要参数。锚泊线种类、单位长度重量、破断拉力等在确定主要参数时需首先考虑，然后校对初始锚泊线参数在设计海况下是否合适。图3为螺旋式上升的锚泊设计流程图。2设计要求2.1锚泊系统锚链的许用强度的影响平台偏移是由风、浪、流等载荷作用引起的偏移量因此可以根据最大偏移计算公式进行计算，然后取2个最大值X式中：X因为在锚泊系统中的预张力越大，平台受风、浪、流等引起的水平位移就越小，同时，锚链的许用强度可以承受平台发生最大位移时锚链的最大张力，所以应在锚链的许用强度下提高锚链的预张力。2.2锚泊线张力要求锚泊线最大张力是取两个最大值T式中：T张力安全系数计算公式为式中：P根据中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》中的规定3锚泊系统的选择和确定3.1多点锚泊系统锚泊方式一般有张紧式和悬链式2种，由于此海洋生活平台需要具备良好的靠泊能力，因此采用多点锚泊。再由于多点锚泊在张紧状态下限制平台垂直方向上的运动，无法满足平台适应涨潮落潮的设计要求，会导致涨潮期间，平台吃水增加。在考虑以上因素和人员在平台上的生活以及作业水深等情况，本生活平台采用悬链式锚泊方式。3.2锚泊线锚泊线组成材料一般包括锚链（有档和无档锚链）、钢缆和合成纤维缆3大类3.3大抓力锚的特点考虑本平台所处海域海底是粘土和岩石，平台停泊久和吃水浅等一系列因素，同时结合各类锚的特点，由于大抓力锚整合了无杆锚和有杆锚的优点，锚爪宽且长，作业啮土深，抓重比大（12～14），稳定性较好，作业方便。故锚采用大抓力锚。4锚泊方案设计根据黄海海域特定的海洋环境和浮式风电运维生活平台特殊的菱形式结构，需要通过计算平台水平环境载荷，来确定其锚泊布设型式及锚泊线状态参数，以达到对锚泊方案合理的设计。4.1环境负荷分析4.1.1设计作业风速根据中国船级社《海上移动平台入级规范》中要求，生存工况下最小设计作业风速为51.5m/s，设计工况下最小设计作业风速为36m/s。本平台取设计作业风速V=36m/s，风载荷F式中：C根据式（8），计算得到平台纵向和横向上各构件风载荷如表1所示。4.1.2流量损失作用在平台水下构件海流载荷F式中：C平台部分水下主体承受海流载荷，本平台的纵向和横向海流载荷可由式（9）计算得到，如表2所示。4.1.3同谱密度函数本平台用JONSWAP波谱分析波浪环境，JONSWAP谱的计算公式为式中：S(f)为波谱密度函数，(m/sTγ可由式（11）计算取得。根据设计工况，取H4.1.4v本平台护测定船在停泊过程中会产生冲击力，一般用能量公式来进行计算：式中：E根据《港口工程载荷规范》，满载时船舶排水量M对应V本平台为风电运维生活平台，因此停泊的船是小型交通船和风电运维船，满载排水量一般不超过50t，代入式（9）可得，平台的有效停泊冲击能量不到2kJ，平台的冲击反作用力很小，可由图7所示的护舷性能曲线得到。因此本平台设计锚泊系统可以不考虑停泊冲击力的影响。4.2系泊布置方案平台水平载荷在风、浪、流载荷处于同一条直线上时最大，因此由环境载荷分析可得。最大纵向水平载荷：最大横向水平载荷：式中：F本平台水深取黄海海域水深平均值46m，根据第3节内容确定锚泊方式为悬链式，考虑不同的布置形式张力值和运动性能不同，且横向载荷比纵向载荷大的多，因此初步设计4套系泊布设方案以达到尽量小的张力和良好的运动性能，同时可以更好地平衡横纵方向上的载荷。取纵向为x方向，横向为y方向。方案1：在x方向两边各布置一条锚链，y方向两边各布置3条锚链，y方向锚链参数相同，1条与y轴共线，其余2条在平台x方向左右两边与x轴夹角75°，x方向锚链与y方向锚链参数不同，设x方向锚链为I方案2：由式（13）、式（14）可得tanα=F方案3：在x方向两边各布置1条锚链，此锚链参数相同，设为II方案4:x方向两边各布置两条锚链，每条锚链与x轴夹角为45°，这4条锚链参数相同，设为IV为使方案具有较强的可比性，保证4个方案中锚和链的安全系数和总体质量相当。导缆孔的位置需考虑平台与系泊顶部装置两者因运动而产生的相互制约和船舶停靠对锚泊线产生的影响等因素，因此设计时平台浮心上不可有导缆孔。一般，运输船和运维船吃水1.2m左右，考虑平台是双层底，初定导缆孔位于水线面下2.7m。表3为4种方案导缆孔坐标。4.3确定锚泊参数4.3.1锚链式锚固结构自适应方案根据文献根据4种布置形式，方案1中，Y方向锚链I方案2中，x,y方向都有4条锚链，每条锚链的所受平均载荷方案3中，同上，锚链在x,y方向受力与方案1几乎相同，因此选取III方案4中，同上，IV以上方案的每条链长都取138m，计算可得：方案1～方案4的质量分别为81.33t、82.91t、81.33t、79.16t，质量相差不大。采用静力分析法，结合相关经验公式对锚链I4.3.2固定点位置的确定根据文献根据对锚种类和参数的确定，本系泊系统选择AC-14大抓力锚。查文献由所得到的锚链和锚泊参数可知方案1～方案4锚泊系统的总吨位分别为：115.32t、112.27t、115.32t、107.78t。因此，依据锚泊布置和参数，锚泊固定点坐标的位置即可确定，4种方案锚固点坐标位置如表7所示。对比4种方案的锚固点位置可知：方案3锚固点位置会造成结构横荡和纵荡慢漂运动幅值最大，方案4锚固点位置会造成结构纵荡慢漂运动幅值最大，方案1和方案2虽然也会造成结构横、纵荡慢漂运动幅值偏大，但相对于方案3和方案4则更优。因此，本文将对方案1和方案2在生存工况下的锚泊线张力作进一步研究。5浪向张力时程为进一步确定锚泊方案，研究方案1和方案2在生存工况下各锚链的受力，得到准确性较高的结果，本文将对各系泊缆进行3h的时域计算模拟。设置浪向角为0°～180°范围，并以30°逐渐递增。整理模拟数据得到其最大值和平均值，并进行比较分析。图10为方案1和方案2的8号锚链在生存工况下浪向角为90°时的张力时程图。图11为方案1和方案2各锚链平均张力值和最大张力值的对比。观察图11可以得出，方案2各锚链张力波幅小，受力较方案1更加均衡。由于在生存工况下，方案2系泊布置时纵向和横向均有4条锚链一起承受外载荷，因此，避免了1号和5号锚链承受较大的张力。同时，对方案1和方案2各锚链在浪向0°～180°时的拉力安全因子进行对比，如图12所示。由图12可知：方案1中，1号和5号锚链（即I6锚泊方案设计及校核本文对特定的菱形式浮式风电运维生活平台及黄海海域特定的海洋环境，根据平台位移偏移和锚泊线张力的要求，确定锚泊方式、锚泊线以及锚的种类，对提出的4种锚泊方案，根据平台风浪流等水平环境载荷进行计算，并给出4种方案导缆孔的位置坐标，再将4种锚泊方案运用静力分析法对锚链参数进行计算校核，并计算锚所受的载荷以确定锚的型号，得出锚固点坐标位置，通过对比分析选出2种相对较优的锚泊系统初步设计方案。最后，研究初选的2种锚泊方案在生存工况下的锚泊线张力，对锚链平均张力和最