安装误差对半潜漂浮式风机悬链线系泊系统性能的影响.pdf

第 41 卷第 4 期 2023 年 7 月Vol.41 No.4Jul.2023海 洋 工 程THE OCEAN ENGINEERING安装误差对半潜漂浮式风机悬链线系泊系统性能的影响杜宇1，王凯2，初岳峰2（1.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；2.中山大学 海洋工程与技术学院，广东 珠海 519082）摘要：由于浅水深条件下悬链线系泊系统的性能对系泊缆长度和几何形状更为敏感，悬链线系泊系统的安装误差对其性能的影响较深水条件下的更为显著。因此首先对适用于半潜漂浮式风机的悬链线系泊系统施工进行研究，分别确定了锚安装位置误差、系泊缆预铺误差和系泊缆与漂浮式基础回接误差的来源，并根据施工条件给出了误差值。之后，以浮体动力学仿真作为手段，对系泊缆系统施工误差对其性能的影响进行基于时域仿真的量化研究。研究表明，锚安装位置误差对系泊系统性能影响不大，但系泊缆预铺和回接的误差对系泊系统性能的影响较大。系泊缆回接的误差可造成系泊缆张力平均值和标准差与设计值偏差近20%，可能对系泊系统疲劳寿命评估产生较大的影响。与系泊缆回接误差相比，系泊缆预铺误差的产生原因更为复杂，由于系泊缆预铺误差往往导致系泊缆长度增长，存在误差的系泊缆张力的各项统计值总体偏小，但可能会造成同组无误差系泊缆的张力过载。关键词：悬链线系泊；半潜漂浮式风机；系泊缆张力；系泊缆安装；安装误差中图分类号：P751 文献标志码：A DOI:10.16483/j.issn.1005-9865.2023.04.005On study of the effects on the semi-submersible floating offshore wind turbine catenary mooring system performance by installation errorDU Yu1，WANG Kai2，CHU Yuefeng2（1.CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China；2.School of Marine Engineering and Technology，Sun Yat-sen University，Zhuhai 519082，China）Abstract:As the performance of the catenary mooring system is more sensitive to the mooring line length and its geometry shape in shallow water depth condition,the catenary mooring line installation error may highly affect the performance of the catenary mooring system.In this paper,the installation of the catenary mooring system for the floating offshore wind turbine(FOWT)is studied first,and the sources of the error for anchor installation,mooring line laying and hook-up between mooring line and the platform are determined.Then,the floating body dynamic analysis is employed for the time-domain-analysis-based quantitative study of the mooring system performance with various installation errors.The study indicates that the anchor installation position error plays a very small effect on the catenary mooring system performance.However,the errors in pre-laying and hook-up have a significant impact on the mooring system the hook-up error may lead up to 20%divergence on the mooring line tension mean value and standard deviation,highly affecting the mooring system fatigue life prediction.More complicated situation comes from the mooring line laying error,compared with the hook-up error.Since the laying error always results in a longer length of the mooring line,the line tension statistical values for the errored mooring line are always lower than the design value.However,it may lead the other mooring line in the same group to overload.Keywords:catenary mooring；semi-submersible floating offshore wind；mooring line tension；catenary mooring line installation;installation error文章编号：1005-9865（2023）04-0049-10收稿日期：2022-08-25基金项目：中国交通建设集团2020年重大科技研发资助项目（2020-ZJKJ-06）；国家自然科学基金面上资助项目（52171289）；广东省自然科学基金面上资助项目（2021A1515011771）作者简介：杜宇（1983），男，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，主要从事海洋工程、海上风电、浮式结构研究。E-mail：第 41 卷 海 洋 工 程由于技术成熟度高，半潜漂浮式风机是目前漂浮式风机的主要选型方向，学术界针对半潜漂浮式风机开展了大量研究1-5。半潜漂浮式风机的浮式基础是一种由浮力提供倾斜恢复力的浮式平台6，系泊系统仅用于提供浮式平台水平偏移恢复力，因此通常采用悬链线系泊系统。在海洋油气行业，悬链线系泊系统的研究开展较早，主要用于半潜式钻井平台，并随着海洋油气工程的发展得到了深入研究7-11。2010年后，随着漂浮式海上风电研究的快速发展，应用于漂浮式风电的悬链线系泊系统研究逐步获得重视12-19。在海洋石油领域，常规型式的悬链线系泊缆绳安装误差对系泊系统性能的影响研究几乎没有。这主要是由于悬链线系泊系统在海洋石油领域多用于中等以上水深作业（200 m以上）的半潜式钻井平台，系泊系统的施工误差对其性能的影响相对较小。另外，多数采用悬链线系泊的浮式结构是移动式钻井平台，平台具有性能较高的锚绞机，可以较为精准地调整预张力甚至进行恒张力控制。然而，目前漂浮式风电的主要开发海域多集中于80 m以内的浅水区域，特别是在我国，很多示范项目的开发水深小于50 m。当前国内外漂浮式风电技术路线主要选择采用悬链线系泊系统定位的半潜漂浮式风机技术路线，同时半潜漂浮式风机也是最适合浅水条件的漂浮式风机型式，因此我国目前在开展的漂浮式风机示范项目全部为悬链线系泊系统定位的半潜漂浮式风机型式。在浅水条件下，漂浮式风电的悬链线系统设计存在很多挑战14，20-22，悬链线系泊缆的形状不容易保持，系泊缆绳更容易绷直，造成锚拔并导致系泊缆绳出现较大的竖向荷载。为降低造价，半潜漂浮式风机一般不安装锚绞机，主要采用止链器等装置锁系泊缆，并通过张紧器等装置进行系泊缆的预张力调节。因此，在悬链线系泊缆施工时，更容易产生误差。悬链线系泊缆安装误差最终造成的结果往往是系泊缆长度和几何形状与设计目标的偏差，而浅水条件下悬链线系泊系统对两者的敏感性更强，因而偏差将给系泊系统性能带来巨大的影响。因此文中首先对适用于半潜漂浮式风机的悬链线系泊系统施工进行分解研究，并确定了误差来源。之后，以浮体动力学仿真作为手段，针对不同系泊缆施工误差对系泊系统性能的影响进行基于时域分析的量化研究。1半潜漂浮式风机系泊系统施工过程1.1半潜漂浮式风机系泊系统总体施工流程系泊系统的安装一般存在2种总体流程23：1）锚缆平台顺序的系泊系统安装流程（图1）；2）平台缆锚顺序的系泊系统安装流程（图2）。图1锚缆平台顺序的悬链线系泊系统安装流程Fig.1Catenary mooring system installation with the anchor-mooring line-platform working flow图2平台缆锚顺序的悬链线系泊系统安装流程Fig.2Catenary mooring system installation with the platform-mooring line-anchor working flow50第 4 期杜宇，等：安装误差对半潜漂浮式风机悬链线系泊系统性能的影响锚缆平台顺序的系泊系统安装流程首先是按照先锚后缆的顺序完成所有锚和系泊缆的安装，在漂浮式基础拖航至场区后将系泊系统与系泊缆回接端进行连接完成回接操作，并采用机械装置对系泊缆绳进行张拉至设计预张力。平台缆锚顺序的系泊系统安装流程一般使用三用工作船先将漂浮式基础拖至海上待安装位置，之后由三用工作船将锚运输至设计锚固位置。在这个过程中系泊缆的一端与锚连接，另一端始终与浮体连接。当三用工作船完成锚的安装之后，重复以上动作完成其余锚的安装，之后浮式平台利用其甲板上所设置的锚机对锚链进行张拉至设计预张力。可见采用图2的平台缆锚系泊系统安装顺序往往适用于可携带系泊缆和锚的浮式平台，这种平台需提供额外的浮力以抵消系泊缆和锚的重力，往往不适用于对成本更加敏感的漂浮式风机。另外，采用该方法进行系泊系统安装，平台需要在安装初始阶段进入场区，平台安装完毕前的海上漂浮等待时间长，对于我国这种台风频繁出现的国家，施工风险很大。因此，目前的漂浮式风机系泊系统安装常采用锚缆平台的系泊系统安装顺序。1.2系泊缆预铺过程分析采用锚缆平台安装流程，当锚嵌固于海底之后，系泊缆的预铺主要采用锚艇拖拉的方式来完成。图3显示了系泊缆初始预铺的过程，在整个预铺过程中，由于铺设锚艇的前进速度很低，因此可以认为在静水条件下预铺过程的力学系统是一个静力平衡的系统。由锚艇提供给系泊缆水平张拉力T，在触泥点的位置由躺底段或锚提供一个反向平衡拉力T。图3显示了系泊缆在预铺过程中触泥点在时刻1时由A点处不断向前的过程，触泥点在时刻2到达B点，之后在时刻3到达C点。AB两点之间的距离和BC两点之间的距离相等，均为x。根据静力平衡可知以下条件：T1A=T（1）T2B=T（2）T3C=T（3）其中，T1A为A点在时刻1的反向平衡拉力，T2B为B点在时刻2的反向平衡拉力，T3C为C点在时刻3的反向平衡拉力。假设锚链的海底摩擦系数为f，则根据静力平衡可知A点在时刻2的拉力T2A和时刻3的拉力T3A应分别为：T2A=T-wxf（4）T3A=T-w2xf（5）其中，w为系泊缆的浮重。通过观察T1A、T2A和T3A可以发现A点处受到其右侧缆绳的张拉力随着缆绳预铺的进行而逐渐减小直至张拉力减小到0，此时A点右侧已存在了长度为x=T/(wf)的躺底段