組塊浮托系泊系統(tǒng)設(shè)計分析
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摘要:近幾年來，海工在運輸駁船甲板增加錨機系泊系統(tǒng)完成多個大型組塊的浮托安裝，為了更好的控制好浮托時的船舶運動，確保作業(yè)安全，對作業(yè)系泊系統(tǒng)進行了研究。以秦皇島32-6CEPI組塊為例，闡述了運輸駁船系泊系統(tǒng)的設(shè)備，設(shè)計和相關(guān)計算分析，通過研究并成功應用在項目上，驗證了系泊設(shè)備的可靠性同時為將來項目提供了參考。
關(guān)鍵詞:浮托技術(shù)，系泊系統(tǒng)，錨泊分析
1概述
近幾年來，海洋工程為保證大型駁船、復雜海域浮托作業(yè)要求，保證浮托作業(yè)施工安全可靠，在運輸駁船甲板增加錨機系泊系統(tǒng)用于控制運輸駁船，使其平穩(wěn)就位［1-4］。目前海工自有運輸船舶海洋石油221，海洋石油228，海洋石油229均可外加錨泊系統(tǒng)完成萬噸級大型組塊的浮托作業(yè)。系泊系統(tǒng)包括150t錨機、滑輪導向、錨纜、浮筒及15t大抓力錨等，同時設(shè)計了一套可翻轉(zhuǎn)滑輪系統(tǒng)，實現(xiàn)錨泊系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換，確保了駁船順利就位。
2浮托系泊錨機設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備
目前海工根據(jù)浮托海域環(huán)境條件和運輸駁船來設(shè)計系泊系統(tǒng)，一般分為4點，6點和8點錨系，并配備相應的輔助設(shè)備完成浮托作業(yè)。本文以秦皇島32-6CEPI組塊為例，介紹錨系系泊計算分析。秦皇島32-6CEPI組塊于2014年6月完成海上浮托作業(yè)，該浮托錨系系統(tǒng)采用4點錨系布置與海洋石油228，同時因水深為21．88m不需要預布錨系。目前海洋工程擁有8臺150t系泊錨機可用于浮托作業(yè)中。該絞車為液壓移船定位錨機，中間層額定拉力為150t(卷筒鋼絲繩第4層)，滾筒剎車能力不小于350t，額定線速度0m/min～15m/min，自由放繩速度200m/min;滾筒鋼絲繩直徑為76mm，鋼絲繩最小破斷載荷(MBL)為400t，滾筒容繩量為1500m;絞車配套HPU和控制單元。水平滾輪配合150t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350Te，試驗載荷不低于1．1倍MBL，根據(jù)不同位置需求分為90°使用角、130°使用角和150°使用角。翻轉(zhuǎn)式水平滾輪配合150t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350Te，試驗載荷不低于1．1倍MBL，115°使用角。360°旋轉(zhuǎn)導纜器配合150t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350Te，試驗載荷不低于1．1倍MBL。
3錨系系統(tǒng)計算分析
3．1錨系設(shè)計標準
根據(jù)GLNobleDenton0032/ND系泊系統(tǒng)的布置需考慮浮托作業(yè)的限制環(huán)境條件以及運輸船總體布置計劃，并且結(jié)合船舶運動分析和系泊分析，確定系泊絞車規(guī)格和數(shù)量，并以此進行臨時導纜樁、帶纜樁的選擇與設(shè)計。在實際工程計算中采用時域分析法(附加質(zhì)量，阻尼和波浪力)預測運輸駁船運動和錨泊纜繩張力，計算時長為3h，并考慮多種環(huán)境組合;秦皇島32-6CEPI組塊錨泊設(shè)計標準為:通常要求拖曳錨的安裝位置誤差應控制在50m以內(nèi);錨距離水下結(jié)構(gòu)物的水平距離應不小于100m;另外，若跨越海底管線、電纜等水下結(jié)構(gòu)，錨應布置在系泊纜與海底管纜交叉點的300m水平徑向范圍之外。錨纜張力完整工況動態(tài)安全系數(shù)為1．67(據(jù)表1選擇)。15t大抓力錨無上拔力;若一根錨系損壞，可以承受部分上拔力，但上拔力應小于錨的重力;錨纜與海底管線垂直間隙最小值為5．47m(25%水深，見表2)。
3．2環(huán)境條件
秦皇島32-6CEPI組塊錨泊系統(tǒng)設(shè)計中考慮兩個工況:待命工況和操作工況;計算過程中假定風和流與波成線性關(guān)系;同時考慮錨系布置不對稱性，浪向取0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。詳細環(huán)境條件見表3。
3．3錨系計算
Newmark積分法用于錨泊系統(tǒng)時域分析計算中，時間步驟為0．2s，每次模擬的持續(xù)時間為3h。分析中波浪采用JONSWAP譜模擬;風采用NPD頻譜模擬1min平均風速，受風面包括上部結(jié)構(gòu)和甲板設(shè)備，DSF，滑道和駁船干舷;流被認為是在恒定速度。采用拖曳面和莫里森方程計算相對流速。對于待命工況，駁船和船頂被建模為一個具有6自由度的單剛體，在時域模擬中，因為駁船和船頂之間的相對運動是微不足道的，相互作用載荷并不令人擔憂。
3．3．1待命工況表4中列出秦皇島32-6CEPI組塊待命工況和操作工況時環(huán)境條件，風、浪和流為共線性，這樣選取較為保守。表4顯示了待命工況下各錨纜最大張力，其發(fā)生在錨纜SPM_FS(90°浪向，Tp=8．66s)，最大張力為171．2t(安全系數(shù)2．24＞1．67)(見表5)。通過動力學分析研究了在待命工況下錨纜和管線之間的最小垂直間隙，最小垂直間隙發(fā)生在系泊張力最小時。計算結(jié)果顯示錨纜SPM_FP的最小張力為9．3t(90°浪向，Tp=8．66s)，錨纜SPM_FS的最小張力為5．6t(315°浪向，Tp=8．66s)。錨纜SMP_FP與管線之間的最小垂直間隙分別為13．76m，15．68m，14．43m，15．22m，12．17m，13．79m和16．35m，錨纜SPM_FS與管線之間的最小垂直間隙為6．40m，13．33m和8．50m，均大于5．47(25%水深)。通過MOSES計算15t大抓力錨是否有上拔力，計算結(jié)果顯示錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長度發(fā)生在SPM_FP和SPM_FS纜繩。表6顯示SPM_FP纜繩最小臥纜長度為57．2m，各錨纜無上拔力。
3．3．2操作工況表7顯示了操作工況下各錨纜最大張力，其發(fā)生在錨纜SPM_FP(270°浪向)，最大張力為139．9t(安全系數(shù)2．86＞1．67)。通過動力學分析研究了在操作工況下錨纜和管線之間的最小垂直間隙，最小垂直間隙發(fā)生在系泊張力最小時。計算結(jié)果顯示錨纜SMP_FP的最小張力為28．3t(45°浪向)，錨纜SMP_FS的最小張力為27．2t(315°浪向)。錨纜SMP_FP與管線之間的最小垂直間隙分別為11．32m，13．37m，15．58m和15．56m，錨纜SPM_FS與管線之間的最小垂直間隙為22．34m和25．68m，均大于5．47(25%水深)。通過MOSES計算15t大抓力錨是否有上拔力，表8顯示SPM_FP纜繩最小臥纜長度為58．18m，各錨纜無上拔力。
4結(jié)語
國內(nèi)海洋工程浮托越來越依賴錨系，安全，可靠，操作簡便，大大提高了浮托作業(yè)效率。目前浮托作業(yè)根據(jù)施工海域和船舶可設(shè)計4點錨系，6點錨系和8點錨系進行輔助作業(yè)，通過設(shè)計過程中使用MOSES進行錨系分析，用SES-AM進行時域分析校核，同時可利用模型試驗與數(shù)值計算結(jié)果相互驗證。經(jīng)過一系列優(yōu)化得出系泊錨纜的長度、直徑及設(shè)計角度等結(jié)果。此外，由于浮托現(xiàn)場部分系泊錨纜底部有管線，設(shè)計中要選取合理位置施加浮筒，經(jīng)過反復計算優(yōu)化浮筒的尺寸和浮筒固定纜繩的長度，得出最優(yōu)的系泊設(shè)計方案。
參考文獻:
［1］秦立成．我國海洋平臺浮托安裝技術(shù)現(xiàn)狀及未來［J］．海洋工程裝備與技術(shù)，2019(6):189-194．
［2］楊光，呂海寧．大型浮托安裝駁船在極淺水中的運動特性和觸底條件分析［J］．船舶力學，2018，22(7):827-837．
作者：匡楊 李立濤 秦立成 王燕 王振興 張博文 李鵬 單位：海洋石油工程股份有限公司