CN107358000B - 一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法 - Google Patents

一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构；2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置，本发明能够降低在最初的方案设计时对系泊系统的多个设计参数进行反复试算调整的工作量，可以广泛应用于深水海洋工程领域中。

Description

一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法
技术领域
本发明是关于一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，属于深水海洋工程领域。
背景技术
随着人类对海洋油气的勘探开发活动逐渐走向深水，定位技术快速发展，原先的悬链线系泊系统逐渐被张紧型系泊系统所取代，张紧型系泊系统的主要优势包括定位精度的提升、材料的节省、较小的系泊系统半径、预张力和设备规格的降低和方便安装等。张紧型系泊系统缆绳的材料包括聚酯纤维、高强聚乙烯和尼龙等，其中又以聚酯纤维材料使用最多。采用聚酯纤维作为系泊材料时，缆绳的回复力主要来自其轴向形变，缆绳本身在水中的质量较轻，因此锚基础将同时承受水平方向和垂直方向的上拔载荷。此外，由于聚酯纤维本身的分子结构包含晶体结构与非晶体结构，当缆绳两端出现静态张力与动态张力时，非晶体结构不能迅速产生形变，导致缆绳的轴向刚度随载荷作用时间、幅值及周期等参数变化而变化。两者为系泊系统的设计带来新的问题。
目前工程界针对以上问题提出多种力学模型，并被各大船级社写入规范用于系泊系统的校核，其中使用最广的是采用上下边界轴向刚度模型的系泊系统校核方法，即采用刚度的上限(风暴刚度)用于缆绳张力的计算，采用刚度的下限(安装后刚度)用于船体偏移的计算，该方法应用相对简单，所获得的结果偏于保守，在方案初始设计时被广泛采用。然而，目前各类系泊系统校核的设计规范仅给出了系泊系统在极端环境作用下应该符合的技术指标，如最大缆绳张力、缆绳与海底的接触点位置等，但没有提供如何选取设计参数使系泊系统能够满足技术指标要求的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够选取出满足系泊系统校核设计规范技术指标要求的设计参数，进而选取出满足技术指标要求的系泊系统的聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构；2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
进一步地，所述步骤1)中确定系泊系统中每根缆绳的分段结构，具体过程为：①选取某一规格的聚酯纤维缆绳，并获取该聚酯纤维缆绳的刚度上限、刚度下限和轴向破断拉力，以及海上平台上导缆器处的水深；②设定每根聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；③设定静止状态下每根聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；④计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力；⑤判断每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力是否小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力：若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则进入步骤③增加该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；若夹角初值增加至设定角度，计算的聚酯纤维缆绳最大轴向张力仍大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则进入步骤1)选取另一规格的聚酯纤维缆绳；若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则选定该规格的聚酯纤维缆绳，直接进入步骤⑥；⑥采用与聚酯纤维缆绳轴向破断拉力相同的两锚链分别替换聚酯纤维缆绳下部和上部的同等长度，使替换后缆绳在导缆器位置的静态预张力不变，进而确定缆绳的分段结构。
进一步地，所述步骤④中计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力，具体过程为：聚酯纤维缆绳在静态预张力下的长度Lpre：
Figure GDA0002414202700000021
其中，D为海上平台上导缆器处的水深；θ为确定的该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；聚酯纤维缆绳的原长L：
Figure GDA0002414202700000022
其中，Kpost为聚酯纤维缆绳的刚度下限；Fpre为聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；在海上平台静止条件下锚点至导缆器的水平距离d：
d＝Lprecosθ (3)
当海上平台出现最大水平偏移后，此时锚点至导缆器的的水平距离dmax为：
dmax＝d+Xpermit (4)
其中，Xpermit为海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移；聚酯纤维缆绳的最大轴向长度Lmax：
Figure GDA0002414202700000023
此时，聚酯纤维缆绳的最大轴向张力Tmax：
Figure GDA0002414202700000031
其中，Kstorm为聚酯纤维缆绳的刚度上限。
进一步地，所述步骤⑥中确定缆绳的分段结构，具体过程为：
多段悬连线方程组：
Figure GDA0002414202700000032
其中，i为分段节点，且i＝0,1,2，分别表示缆绳的下部锚链段、中部聚酯纤维段和上部锚链段的底部一端；
Figure GDA0002414202700000033
为分段节点i处的拉力水平分量；
Figure GDA0002414202700000034
为分段节点i处的拉力垂直分量；Ti为分段节点i处的拉力；qi为分段节点i处受到的单位长度水中重力；Li为分段节点i所在缆绳相应段的原始长度；Hi为分段节点i所在缆绳相应段的水平投影长度；Ei为分段节点i所在缆绳相应段的杨式模量；Ai为分段节点i所在缆绳相应段的横截面积；Vi为分段节点i所在缆绳相应段的水平垂直长度；在上述多段悬连线方程组中，仅缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure GDA0002414202700000035
上部锚链段拉力水垂直分量
Figure GDA0002414202700000036
和上部锚链段原始长度L2为未知量，其他参数均为已知量或由上述三个未知量表示，此时引入三个边界条件：
Figure GDA0002414202700000037
通过求解上述边界条件即能够得到缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure GDA0002414202700000038
上部锚链段拉力水垂直分量
Figure GDA0002414202700000039
和上部锚链段原始长度L2，进而能够确定缆绳的分段结构。
进一步地，所述步骤2)中获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程为：a)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，计算海上平台在平衡位置处沿某一方向出现的水平偏移量Δd：
Figure GDA00024142027000000310
其中，x0为海上平台的偏移在x方向的分量，y0为海上平台的偏移在y方向的分量；b)根据确定的缆绳分段结构，获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线。
进一步地，所述步骤b)中获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程为：假设海上平台中心位于原点0，对于缆绳Li，向某一方向水平偏移Δd后，每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi：
Figure GDA0002414202700000041
其中，xi为第i根缆绳的锚点在x方向下的坐标，yi为第i根缆绳的锚点在y方向下的坐标；由于单根缆绳的分段结构已确定，因此每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量Fx 2仅需求解多段悬连线方程组(11)得到：
Figure GDA0002414202700000042
将每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量Fx 3进行叠加后，即可获得此时系泊系统给定海上平台的总体回复力，当每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi变化时，即可获得系泊系统在水平偏移方向下的回复刚度曲线。
进一步地，所述步骤3)中得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置，具体过程为：A)计算海上平台在某方向极端环境下受到的风载荷、海流载荷和波浪漂移力载荷，并计算静态定常载荷；B)根据回复刚度曲线中的插值计算此时海上平台的最大静态水平偏移，并计算海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值；C)根据计算的海上平台的最大静态水平偏移、海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值，计算缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力；D)通过判断海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移是否超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，以及判断缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力是否大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，确定初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
进一步地，所述步骤A)中计算静态定常载荷，具体计算过程为：静态定常载荷Fstatic：
Fstatic＝Fwind+Fcurrent+Fdrift (12)
其中，Fwind为风载荷，Fcurrent为海流载荷，Fdrift为波浪漂移力载荷。
进一步地，所述步骤C)中计算缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力，具体计算过程为：海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax：
Xmax＝Xstatic+max(3.72σwf+2.00σlf，2.00σwf+3.72σlf) (13)
其中，Xstatic为海上平台的最大静态水平偏移；σwf为海上平台在波浪下的波频运动均方根值；σlf为海上平台在波浪下的低频运动均方根值；通过计算的海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax能够计算出每根缆绳上部的最大水平偏移Xmax i，令Δdi＝Xmax i，通过求解方程组(7)和(11)即能够得到每根缆绳在静态定常载荷作用下的极端张力Textreme i，将系泊系统中每根缆绳的极端张力Textreme i进行对比并取其最大值，该最大值即为缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力。
进一步地，所述步骤D)中确定初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总体布置，具体过程为：若海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，或缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则返回步骤2)重新给定初始的系泊系统总体布置或返回步骤1)重新选取另一规格的聚酯纤维缆绳和锚链；若海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移不超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，且缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力不大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则验证初始的系泊系统总体布置为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能够在给定系泊系统设计基础条件下，确定兼顾系泊系统校核设计规范技术指标要求的系泊系统中每根缆绳的分段结构，并通过多层循环迭代最终得到系泊系统的总体布置，能够降低在最初的方案设计时对系泊系统的多个设计参数进行反复试算调整的工作量。2、本发明先给定一初始的系泊系统总体布置，并对初始的系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，验证该初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总体布置，最终确定的系泊系统总体布置能够满足极端环境作用下的系泊系统校核设计规范的技术指标要求，可以广泛应用于深水海洋工程领域中。
附图说明
图1为本发明中最终的系泊系统总体布置的结构示意图；
图2为本发明中聚酯纤维缆绳长度估算的原理示意图；
图3为本发明中采用锚链替换聚酯纤维缆绳的布置示意图；
图4为本发明中多段悬连线方程的原理示意图；
图5为本发明中海上平台系泊系统的初始状态和出现偏移后的缆绳布置示意图；
图6为图5的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
本发明采用法向承力锚作为基础，因此锚点将承受垂直向上的载荷。如图1所示，本发明提供的聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，包括以下步骤：
1、选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构，具体过程如下：
1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳，并获取该聚酯纤维缆绳的刚度上限、刚度下限和轴向破断拉力，以及海上平台上导缆器处的水深。
2)设定每根聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力(一般取轴向破断拉力MBL的10～20％)。
3)设定静止状态下每根聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值，夹角初值一般为30～45度。
4)计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力。
如图2所示，聚酯纤维缆绳在静态预张力下的近似长度Lpre为：
Figure GDA0002414202700000061
其中，D为海上平台上导缆器处的水深；θ为确定的该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值。
聚酯纤维缆绳的原长L可近似为：
Figure GDA0002414202700000062
其中，Kpost为聚酯纤维缆绳的刚度下限；Fpre为聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力。
在海上平台静止条件下锚点至导缆器的水平距离d可近似为：
d＝Lprecosθ (3)
假设海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移为Xpermit，该值通常由立管专业提供，是系泊设计的基础，为已知条件。当海上平台出现最大水平偏移Xpermit后，此时锚点至导缆器的的水平距离dmax为：
dmax＝d+Xpermit (4)
聚酯纤维缆绳的最大轴向长度Lmax可近似为：
Figure GDA0002414202700000063
此时，聚酯纤维缆绳的最大轴向张力Tmax可近似为：
Figure GDA0002414202700000064
其中，Kstorm为聚酯纤维缆绳的刚度上限。
5)判断每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力是否小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力。若大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则进入步骤3)增加该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；若夹角初值增加至设定角度，计算的聚酯纤维缆绳的最大轴向张力仍大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则进入步骤1)选取另一规格的聚酯纤维缆绳。若小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则选定该规格的聚酯纤维缆绳，进入步骤6)。
6)如图3所示，采用与聚酯纤维缆绳轴向破断拉力相同的两锚链分别替换聚酯纤维缆绳下部和上部的同等长度，使替换后缆绳在导缆器位置的静态预张力不变，进而确定缆绳的分段结构。
如图4所示，通过求解多段悬连线方程组：
Figure GDA0002414202700000071
其中，i为分段节点，且i＝0,1,2，如图4所示，分别表示缆绳的下部锚链段、中部聚酯纤维段和上部锚链段的底部一端；
Figure GDA0002414202700000072
为分段节点i处的拉力水平分量；
Figure GDA0002414202700000073
为分段节点i处的拉力垂直分量；Ti为分段节点i处的拉力；qi为分段节点i处受到的单位长度水中重力；Li为分段节点i所在缆绳相应段的原始长度；Hi为分段节点i所在缆绳相应段的水平投影长度；Ei为分段节点i所在缆绳相应段的杨式模量；Ai为分段节点i所在缆绳相应段的横截面积；Vi为分段节点i所在缆绳相应段的水平垂直长度。
在方程组(7)中，仅缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure GDA0002414202700000074
上部锚链段拉力水垂直分量
Figure GDA0002414202700000075
和上部锚链段原始长度L2为未知量，其他参数均为已知量或可以由上述三个未知量表示，此时引入三个边界条件：
Figure GDA0002414202700000076
通过求解边界条件(8)即能够得到缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure GDA0002414202700000077
上部锚链段拉力水垂直分量
Figure GDA0002414202700000078
和上部锚链段原始长度L2，进而能够确定缆绳的分段结构。
2、给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程如下：
1)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，即设定在海上平台每个角布置一组或多组缆绳以及设定每组缆绳间的夹角等，计算海上平台在平衡位置处沿某一方向出现的水平偏移量。
如图5～6所示，假定海上平台在平衡位置处沿某一方向出现水平偏移量Δd：
Figure GDA0002414202700000081
其中，x0为海上平台的偏移在x方向的分量，y0为海上平台的偏移在y方向的分量。
2)根据确定的缆绳分段结构，获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线。
假设海上平台中心位于原点0，对于缆绳Li，向某一方向水平偏移Δd后，每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi：
Figure GDA0002414202700000082
其中，xi为第i根缆绳的锚点在x方向下的坐标，yi为第i根缆绳的锚点在y方向下的坐标。
由于单根缆绳的分段结构已确定，因此每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure GDA0002414202700000084
仅需求解多段悬连线方程组(11)得到：
Figure GDA0002414202700000083
将每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量Fx 3进行叠加后，即可获得此时系泊系统给定海上平台的总体回复力，当每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi变化时，即可获得系泊系统在水平偏移方向下的回复刚度曲线。
3、根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置，其中，技术指标要求采用本技术领域公知的系泊系统校核的技术指标，在此不做赘述，具体过程如下：
1)根据规范推荐的常规方法计算海上平台在某方向极端环境下受到的风载荷Fwind、海流载荷Fcurrent和波浪漂移力载荷Fdrift，进而计算得到静态定常载荷Fstatic。
静态定常载荷Fstatic为：
Fstatic＝Fwind+Fcurrent+Fdrift (12)
2)根据回复刚度曲线中的插值计算此时海上平台的最大静态水平偏移，并采用水动力计算方法或水池实验方法计算得到海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值。
3)根据计算的海上平台的最大静态水平偏移、海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值，计算海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax，即：
Xmax＝Xstatic+max(3.72σwf+2.00σlf，2.00σwf+3.72σlf) (13)
其中，Xstatic为海上平台的最大静态水平偏移；σwf为海上平台在波浪下的波频运动均方根值；σlf为海上平台在波浪下的低频运动均方根值。
4)根据计算的海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax，计算缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力。
通过计算的海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax能够计算出每根缆绳上部的最大水平偏移Xmax i(原理同计算每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi)，令Δdi＝Xmax i，通过联立求解方程组(7)和(11)即能够得到每根缆绳在静态定常载荷作用下的极端张力Textreme i，将系泊系统中每根缆绳的极端张力Textreme i进行对比并取其最大值，该最大值即为缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力。
5)通过判断海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax是否超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移Xpermit，以及判断缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力是否大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力确定初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
若海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移Xpermit，或缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则返回步骤2重新给定初始的系泊系统总体布置或返回步骤1重新选取另一规格的聚酯纤维缆绳和锚链；若海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax不超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移Xpermit，且缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力不大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则验证初始的系泊系统总体布置为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
下面通过具体实施例详细说明本发明聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法的使用过程。本实施例的设计基础为：
海上平台信息：某深水半潜式生产平台，排水量约为10.00万吨，标准吃水40.00m，导缆器距离海上平台底部的垂直高度为3.00m。
环境条件：海上平台就位位置处作业水深为1428.00m，以百年一遇的台风作为系泊系统强度校核的环境条件，以一年一遇的季风作为系泊系统疲劳校核的环境条件，系泊系统的设计寿命为20年，具体参数如下表1所示：
表1：用于系泊系统强度校核的环境条件
Figure GDA0002414202700000091
立管信息：该海上平台拟悬挂5根SCR立管，为保证极端环境下立管下部的疲劳满足要求，因此要求海上平台的最大水平偏移小于2％作业水深(约30.00m)。
采用本发明聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法根据上述设计基础，本实施例的使用过程为：
1、确定系泊系统中每根聚酯纤维缆绳的分段结构：
1)选取直径为286.00mm的聚酯纤维缆绳，其水中质量为13.20kg/m、轴向破断拉力为22563.00kN、刚度下限为15倍的轴向破断拉力、刚度上限为30倍的轴向破断拉力，海上平台上导缆器处的水深为1391.00m。
2)设定每根聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力为2882.00kN。
3)设定静止状态下每根聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值为38.8度。
4)计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力：
聚酯纤维缆绳在静态预张力下的近似长度Lrre为：
Figure GDA0002414202700000101
聚酯纤维缆绳的原长L可近似为：
Figure GDA0002414202700000102
在海上平台静止条件下锚点至导缆器的水平距离d可近似为：
d＝Lprecosθ＝2221.50m*cos38.80＝1732.00m
设定海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移Xpermit为30.00m，当海上平台出现最大水平偏移Xpermit后，此时锚点至导缆器的的水平距离dmax为：
dmax＝d+Xpermit＝1732.00m+30.00m＝1762.00m
聚酯纤维缆绳的最大轴向长度Lmax可近似为：
Figure GDA0002414202700000103
此时，聚酯纤维缆绳的最大轴向张力Tmax可近似为：
Figure GDA0002414202700000104
5)经判断，该聚酯纤维缆绳的最大轴向张力小于聚酯纤维缆绳的轴向破断拉力的60％(即预设发聚酯纤维缆绳轴向破断拉力)，因此选定该规格的聚酯纤维缆绳。
6)选取与聚酯纤维缆绳破断强度相同的两R4S级无档锚链分别替换聚酯纤维缆绳下部和上部的同等长度，该锚链的直径约为157.00mm，替换聚酯纤维缆绳下部的锚链长度为212.00m，替换聚酯纤维缆绳上部的锚链长度约为150.00m。
2、获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线：
1)给定海上平台一初始系泊系统总体布置，即缆绳分四组布置，每组包括四根缆绳，同组缆绳与海上平台艏艉的夹角为45度，同组间缆绳的夹角为5度。
2)根据方程组(7)～(11)求出海上平台在0度方向下的回复刚度曲线如下表2所示：
表2：海上平台0度方向下的回复刚度曲线
海上平台的水平偏移量(m) 系泊系统给定海上平台的总体回复力(kN)
0.00 0.00
10.00 1541582.00
20.00 3157271.00
30.00 4590601.00
40.00 6143095.00
50.00 7900057.00
60.00 9577425.00
70.00 11429844.00
80.00 13651634.00
90.00 16101490.00
100.00 19180466.00
3、对初始的系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置：
1)根据规范推荐的常规方法计算海上平台在某方向极端环境下受到的风载荷Fwind、海流载荷Fcurrent和波浪漂移力载荷Fdrift分别为120.00t、70.00t和20.00t，则静态定常载荷Fstatic为：
Fstatic＝Fwind+Fcurrent+Fdrift＝210.00t
2)根据回复刚度曲线中的插值计算出此时海上平台的最大静态水平偏移Xstatic为16.00m，采用水动力计算方法计算得到海上平台在波浪下的波频运动均方根值σwf和低频运动均方根值σlf分别为3.00m和0.70m。
3)计算海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax为：
Xmax＝Xstatic+max(3.72σwf+2.00σlf，2.00σwf+3.72σlf)
＝16.00m
+max(3.72*3.00m+2.00*0.70m，2.00*3.00m+3.72*0.70m)
＝28.56m
4)每根缆绳上部的最大水平偏移Xmax i为20.70m，根据多段悬连线方程组(7)和(11)计算得到缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力为9675.00kN＝43％MBL。
5)经检验，海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移小于海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，且缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力小于聚酯纤维缆绳的轴向破断拉力的60％，因此，验证初始的系泊系统总体布置为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构，具体过程为：
①选取某一规格的聚酯纤维缆绳，并获取该聚酯纤维缆绳的刚度上限、刚度下限和轴向破断拉力，以及海上平台上导缆器处的水深；
②设定每根聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；
③设定静止状态下每根聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；
④计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力；
⑤判断每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力是否小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力：
若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则进入步骤③增加该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；
若夹角初值增加至设定角度，计算的聚酯纤维缆绳最大轴向张力仍大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则进入步骤1)选取另一规格的聚酯纤维缆绳；
若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则选定该规格的聚酯纤维缆绳，直接进入步骤⑥；
⑥采用与聚酯纤维缆绳轴向破断拉力相同的两锚链分别替换聚酯纤维缆绳下部和上部的同等长度，使替换后缆绳在导缆器位置的静态预张力不变，进而确定缆绳的分段结构；
2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；
3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置，具体过程为：
A)计算海上平台在某方向极端环境下受到的风载荷、海流载荷和波浪漂移力载荷，并计算静态定常载荷；
B)根据回复刚度曲线中的插值计算此时海上平台的最大静态水平偏移，并计算海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值；
C)根据计算的海上平台的最大静态水平偏移、海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值，计算缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力；
D)通过判断海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移是否超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，以及判断缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力是否大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，确定初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
2.如权利要求1所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤④中计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力，具体过程为：
聚酯纤维缆绳在静态预张力下的长度Lpre：
Figure FDA0002414202690000021
其中，D为海上平台上导缆器处的水深；θ为确定的该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；
聚酯纤维缆绳的原长L：
Figure FDA0002414202690000022
其中，Kpost为聚酯纤维缆绳的刚度下限；Fpre为聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；
在海上平台静止条件下锚点至导缆器的水平距离d：
d＝Lprecosθ (3)
当海上平台出现最大水平偏移后，此时锚点至导缆器的的水平距离dmax为：
dmax＝d+Xpermit (4)
其中，Xpermit为海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移；
聚酯纤维缆绳的最大轴向长度Lmax：
Figure FDA0002414202690000023
此时，聚酯纤维缆绳的最大轴向张力Tmax：
Figure FDA0002414202690000024
其中，Kstorm为聚酯纤维缆绳的刚度上限。
3.如权利要求2所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤⑥中确定缆绳的分段结构，具体过程为：
多段悬连线方程组：
Figure FDA0002414202690000025
其中，i为分段节点，且i＝0，1，2，分别表示缆绳的下部锚链段、中部聚酯纤维段和上部锚链段的底部一端；
Figure FDA0002414202690000031
为分段节点i处的拉力水平分量；
Figure FDA0002414202690000032
为分段节点i处的拉力垂直分量；Ti为分段节点i处的拉力；qi为分段节点i处受到的单位长度水中重力；Li为分段节点i所在缆绳相应段的原始长度；Hi为分段节点i所在缆绳相应段的水平投影长度；Ei为分段节点i所在缆绳相应段的杨式模量；Ai为分段节点i所在缆绳相应段的横截面积；Vi为分段节点i所在缆绳相应段的水平垂直长度；
在上述多段悬连线方程组中，仅缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure FDA0002414202690000033
上部锚链段拉力水垂直分量
Figure FDA0002414202690000034
和上部锚链段原始长度L2为未知量，其他参数均为已知量或由上述三个未知量表示，此时引入三个边界条件：
Figure FDA0002414202690000035
通过求解上述边界条件即能够得到缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure FDA0002414202690000036
上部锚链段拉力水垂直分量
Figure FDA0002414202690000037
和上部锚链段原始长度L2，进而能够确定缆绳的分段结构。
4.如权利要求3所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤2)中获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程为：
a)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，计算海上平台在平衡位置处沿某一方向出现的水平偏移量Δd：
Figure FDA0002414202690000038
其中，x0为海上平台的偏移在x方向的分量，y0为海上平台的偏移在y方向的分量；
b)根据确定的缆绳分段结构，获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线。
5.如权利要求4所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤b)中获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程为：
假设海上平台中心位于原点0，对于缆绳Li，向某一方向水平偏移Δd后，每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi：
Figure FDA0002414202690000039
其中，xi为第i根缆绳的锚点在x方向下的坐标，yi为第i根缆绳的锚点在y方向下的坐标；
由于单根缆绳的分段结构已确定，因此每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure FDA00024142026900000310
仅需求解多段悬连线方程组(11)得到：
Figure FDA0002414202690000041
将每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量
Figure FDA0002414202690000042
进行叠加后，即可获得此时系泊系统给定海上平台的总体回复力，当每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi变化时，即可获得系泊系统在水平偏移方向下的回复刚度曲线。
6.如权利要求5所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤A)中计算静态定常载荷，具体计算过程为：
静态定常载荷Fstatic：
Fstatic＝Fwind+Fcurrent+Fdrift (12)
其中，Fwind为风载荷，Fcurrent为海流载荷，Fdrift为波浪漂移力载荷。
7.如权利要求5所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤C)中计算缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力，具体计算过程为：
海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax：
Xmax＝Xsiatic+max(3.72σwf+2.00σlf，2.00σwf+3.72σlf) (13)
其中，Xstatic为海上平台的最大静态水平偏移；σwf为海上平台在波浪下的波频运动均方根值；σlf为海上平台在波浪下的低频运动均方根值；
通过计算的海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移Xmax能够计算出每根缆绳上部的最大水平偏移Xmax i，令Δdi＝Xmax i，通过求解方程组(7)和(11)即能够得到每根缆绳在静态定常载荷作用下的极端张力Textreme i，将系泊系统中每根缆绳的极端张力Textreme i进行对比并取其最大值，该最大值即为缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力。
8.如权利要求5所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤D)中确定初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总体布置，具体过程为：
若海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，或缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则返回步骤2)重新给定初始的系泊系统总体布置或返回步骤1)重新选取另一规格的聚酯纤维缆绳和锚链；
若海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移不超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，且缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力不大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则验证初始的系泊系统总体布置为满足技术指标要求的系泊系统总体布置。
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