[动力定位] 新型系泊技术——潜标滑轮系泊系统

在人类历史很长一段时间内，人类在海洋的活动主要是船舶运输，系泊也主要是固定船舶，这个通常用一根绳索加一个锚就可解决。到了现代，随着人类开发海洋活动的日益增多，海洋工程、海洋能开发、海洋观测等都需要系泊，而这些通常都要求在极端恶劣海况下能够连续作业，对系泊提出了很高的要求。目前比较常用的系泊方式有两种，分别是悬链式和张紧式。

悬链式系泊[1]，是通过悬垂的钢链、索和锚与海底接触，由悬链线的几何作用和重力产生回复力实现浮体的定位，这种方式，系泊约束力与被系泊浮体的水平偏移关系是一条先是缓慢上升而后急剧上升的曲线，起始时，系泊复位力过小，系泊的稳定性不足，到后来又迅速增大，如果浮体在偏离到绳索完全被拉直的时候，依然被波浪推动着前进，那么浮体的惯性加波浪的推力就会导致绳索受力在瞬间猛增，极易出现锚链被拉断或锚基被拉动的情况。

另一种系泊方式是张紧式[2]，张紧式系泊系统通过绷紧的系泊缆索连接浮体与海底,系泊缆索中间部分多采用质量较轻的高强度尼龙绳、聚酯绳或其他合成材料,缆索两端采用耐磨的钢质锚链或钢丝绳。张紧式系泊系统的系泊缆索的回复力是由缆索的轴向刚度提供。这种方式中的绳索一直处于张紧状态，所以需系泊浮体在沿张力筋方向上运动很少，由于缓冲距离太小，波浪对需系泊浮体的瞬间冲击力相当大，这个冲击力会传递给系泊系统的绳索、锚基，每一次波浪冲击都会引发绳索的一次受力循环，从而对绳索的强度、抗疲劳性的提出很高的要求[3]。

针对上述问题，现提出一种新型的系泊方式—潜标滑轮系泊系统。

如图1所示，是潜标滑轮系统系泊的结构示意图。

其主要包括潜标、滑轮、锚基、绳索、绳结，锚基上系有一锁链，锁链的另一端系在一滑轮的支架上，该滑轮上绕一绳索，绳索的一端系在潜标上，绳索的另一端系在需系泊浮体上，在滑轮与系泊浮体之间靠近滑轮的绳索上系有绳结，绳结为绳索上系的凸起物；以上构成一个潜标滑轮锚定单元，多个分布在四周的潜标滑轮锚定单元的组合，共同拉紧中央的需系泊浮体。

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图3，是潜标滑轮系泊系统的实验照片。当需系泊浮体向左移动时，它与右边锚定单元的距离增大，右边绳结被拉动远离右滑轮，右潜标的浮力通过绕过右滑轮的绳索一直施加在需系泊浮体上；另一侧，需系泊浮体与左边锚定单元的距离缩短，于是左潜标通过绳索拉动绳结靠近左滑轮，因为绳结轮廓大于滑轮架间隙，所以卡在左滑轮架处，于是需系泊浮体与左滑轮之间的绳索变得松弛，绳索对需系泊浮体向左的拉力消失，这样需系泊浮体只受到右侧锚定单元的拉力，该力驱使需系泊浮体向右移动复位，这就是潜标滑轮系统的系泊原理。

在图1中，为了增强系泊力和安全性，增加了副锚绳连接潜标与需系泊浮体，当需系泊浮体在风浪流的作用下向右移动时，需系泊浮体与左边距离增大，通过副锚绳拉动左潜标，导致左潜标发生横向偏移，其下面的绳索发生偏斜，根据力学分析可以得到，左潜标对副锚绳产生拉力，同时需系泊浮体通过副锚绳对该左潜标的斜向上拉力也会通过左潜标下面的绳索，经滑轮传导回需系泊浮体，从而在原来基础上增加了两份向左向下的系泊拉力。由副锚绳增加的这部分系泊拉力，不是一个恒力，需系泊浮体向右移动越大，该增加部分越大，起到一个保护作用，因为当浮体受到比较强的偏移力时，我们不希望需系泊体无限制的偏移下去，必须在某种程度上加以遏制，以免导致潜标与滑轮相撞损坏系泊系统。

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图 3

在浮体发生偏离过程中，潜标被拉一起联动，由于绳索很轻相对较细、滑轮滚动摩擦阻力很小，所以绳索、滑轮产生的阻力可以忽略，这样浮体所受到的复位力主要取决于潜标受力。而潜标主要受到净浮力、水的阻力、惯性力，潜标相对很轻且加速度比较小，惯性力可不予考虑，水的阻力取决于潜标的形状以及潜标运动速度及加速度，比较复杂且不是一个稳定值，这里就只分析潜标净浮力产生的复位力。

在没有副锚绳的情况下，系泊复位力是很容易计算的，如果只分析一维方向上的偏离与受力，则系泊复位力F=Ff*sinα；Ff是潜标的净浮力，α是系泊绳索的水平夹角。在需系泊浮体偏离过程中，如果水深H很大，需系泊浮体时刻浮在水面上，需系泊浮体纵荡或垂荡引起的α变化较小，可以视为不变，则F大小几乎不变（见图5方点曲线）。

但如果加入了副锚绳，分析就复杂些，图4是几何与力学分析图，其中各参数说明如下：

先规定潜标下面的绳索呈竖直向上，且副锚绳为拉直时为初始状态。

以下是根据几何与力学分析所列的方程

在Ff=100KN、水深H=500m、x0=500m、h=50m初设条件下，得到分析结果如图5所示。

方点曲线是潜标滑轮系泊系统无副锚绳的，圆点的是加副锚绳的，可以看出加了副锚绳，复位力是一直上升的，在0偏移时，复位力是70.71KN，当偏移80m时，复位力已经接近110KN，增大了53.5%，而没有副锚绳的，此时是74.74KN，仅增大7.1%。通过实验也印证了这一点。

在短时间内，海洋中风、流对浮体的推动是持续的一个方向，需要系泊系统一直对抗，在这个基础上的叠加的浪载荷通常要比风、流大的多，但它具有往复性，浪与系泊系统决定了浮体的运动幅度，系泊系统在偏移过程中吸收能量，在复位过程中释放能量，同样距离系泊系统吸收的能量越大，浮体越稳定。图6是各种系泊方式系泊复位力与偏移距离关系对比图，从该图可以看出：

1-垂链式[1]，当浮体发生偏移时，在[0，a]区间内，复位力F是缓慢的增大，系泊系统吸收的能量接近一个凹三角形，显然这个过程并没有发挥出系泊系统的最大阻力，而是在偏移超过a后，随着偏移距离的增大，系泊链趋近于拉直，这时系泊力将猛增，此时才达到了系泊系统的最大承受能力。

2-张紧式[4]，浮体几乎刚性的限制在与张力筋垂直的平面内，沿张力筋方向上的偏移主要来自弹性形变，做功行程小所以吸收的能量最少，该方向上因为缓冲距离小冲击浮体的水团动量瞬间剧变，系泊系统受力相当大。对于TLP[2] 平台一般采取水平方向顺应风浪流，而在竖直方向上设张力筋，这样可使平台垂荡、摇动大幅降低，但水平方向上运动幅度很大。

3-潜标滑轮，当浮体发生偏移的时候，复位力F是直接跳变到额定工作状态（接近于系泊系统最大承受能力），吸收的能量近似一个矩形。

4-潜标滑轮+副锚绳，当浮体发生偏移的时候，复位力F也是直接跳变到工作状态，但随着偏移距离的增大复位力F也在增大，吸收的能量接近一个直角梯形。

在设计中，潜标浮力产生的复位力只要大于该海域定常力（风、流、波浪漂移力）的最大值，需系泊浮体就不会一直朝一个方向持续偏移，波浪力虽然更大但它是往复的，副锚绳的作用更多是作为一种保险措施，当持续性载荷超出意料或者是遇到非常大的波浪，那么随着偏移增大复位力会显著增大，直至副锚绳与绳索拉成一线，从而防止浮体偏离出安全范围。

通过以上分析可以看出潜标滑轮系统具有如下特点：

1）  稳定性好：主要体现在以下三个方面。

(1)    对于传统方式的系泊系统，在浮体发生偏移时，两侧的拉力均存在，只是一大一小，这两个拉力会抵消一部分，从而减少了总的系泊复位力。而潜标滑轮系泊系统不存在这个问题，在向一边偏移时，该侧锚定单元的拉力消失，浮体只受到另一侧锚定单元的拉力。

(2)    对于垂链式，系泊复位力是缓慢上升的，而潜标滑轮系泊系统是在很短的距离内，几乎突变的达到额定复位拉力，响应迅速力量够大。

(3)    在水中水对潜标的运动形成阻力，增强了阻尼效果，使浮体的动能得以衰减。

2）  抗风浪能力强、可靠性高：潜标滑轮系泊系统不像张紧式那样，与波浪硬碰硬，而是有一定缓冲距离，慢慢的消耗波浪的冲击力，也不像垂链式那样，初期阻力不足导致浮体动能积聚，到后期偏移距离非常大的时候绳索、锚基受力又猛增。潜标滑轮系泊系统的绳索、锚基受力可控，只要绳索足够长，在浮体偏离非常大的距离时绳索拉力可以依然保持在安全范围内，几乎不会出现绳索断裂、走锚现象，而且即使走锚也能继续工作，只是浮体的自由活动区间距离增大了，而不像张紧式那样，走锚往往意味着倾覆等高风险。

3）  设计简单：设计一个传统系泊系统需要用专门软件，尤其是张紧式的，目前全球只有几家公司能做，设计成本高。而潜标滑轮系泊系统设计则简单的多。

4）  成本低廉：基于恶劣海况的考虑，垂链式、张力筋等传统系泊方式要有足够高的安全系数[5]，所以不得不采用很粗的绳索，锚基也要够坚固，而潜标滑轮系泊的受力可控，达到同样的系泊效果使用的绳索可以相对细的多，锚基也可以做的比较小。

5）  寿命长，只要设计合理，就不存在蠕变、疲劳现象，维护成本低，更换方便。

潜标滑轮系泊系统可应用于海洋工程、海洋能开发、海洋观测、海水养殖等诸多领域。在海洋工程的许多场合比如Spar、FPSO[6]等，传统的锚定方式均可以替换为潜标滑轮方式。

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图7

    图7为潜标滑轮系泊系统在FPSO应用效果图。实际作业中，为了防止潜标与船底碰撞，潜标的最小深度一定要低于船底。

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图8：为风机万向节锚基系泊示意图，风机塔筒底部通过万向节连接锚基，塔筒中部伸出横臂，横臂外端与周围的潜标滑轮系泊单元的绳索连接；横臂数量是3个以上，最好均布，为了增加强度，用斜筋连接横臂与塔筒。为了防止锚基滑移，锚基底部固定有锚楔，插入海底。当风机塔筒向左倾斜时，左边横臂系点下降导致左边拉力消失，而右边系点上升，右潜标的浮力会通过绳索给予右悬臂向下向右的拉力，该力阻挡塔筒进一步左倾。

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图9是深水网箱的系泊示意图，深水网箱的浮球被潜标滑轮系统锚定，网箱的底下吊着沉子。浮球向上不可能离开水面，向下又受到水的浮力，向左向右向前向后都受到系泊的复位力，所以它是相对稳定的，网箱在偏移的过程中能够依靠沉子的下垂保持不变形。借助于潜标的长距离持续可控复位力，可以使得网箱具备对抗风浪的能力。在潜标与浮球之间连接有副锚绳，以增强安全可靠性。

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