組塊浮托系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
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摘要:近幾年來(lái)，海工在運(yùn)輸駁船甲板增加錨機(jī)系泊系統(tǒng)完成多個(gè)大型組塊的浮托安裝，為了更好的控制好浮托時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)，確保作業(yè)安全，對(duì)作業(yè)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了研究。以秦皇島32-6CEPI組塊為例，闡述了運(yùn)輸駁船系泊系統(tǒng)的設(shè)備，設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算分析，通過(guò)研究并成功應(yīng)用在項(xiàng)目上，驗(yàn)證了系泊設(shè)備的可靠性同時(shí)為將來(lái)項(xiàng)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(lái)，海洋工程為保證大型駁船、復(fù)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(yùn)輸駁船甲板增加錨機(jī)系泊系統(tǒng)用于控制運(yùn)輸駁船，使其平穩(wěn)就位［1-4］。目前海工自有運(yùn)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(wàn)噸級(jí)大型組塊的浮托作業(yè)。系泊系統(tǒng)包括150t錨機(jī)、滑輪導(dǎo)向、錨纜、浮筒及15t大抓力錨等，同時(shí)設(shè)計(jì)了一套可翻轉(zhuǎn)滑輪系統(tǒng)，實(shí)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(jī)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(yùn)輸駁船來(lái)設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)，一般分為4點(diǎn)，6點(diǎn)和8點(diǎn)錨系，并配備相應(yīng)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(jì)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(diǎn)錨系布置與海洋石油228，同時(shí)因水深為21．88m不需要預(yù)布錨系。目前海洋工程擁有8臺(tái)150t系泊錨機(jī)可用于浮托作業(yè)中。該絞車(chē)為液壓移船定位錨機(jī)，中間層額定拉力為150t(卷筒鋼絲繩第4層)，滾筒剎車(chē)能力不小于350t，額定線(xiàn)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(chē)配套HPU和控制單元。水平滾輪配合150t系泊絞車(chē)鋼絲繩使用，工作載荷350Te，試驗(yàn)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(chē)鋼絲繩使用，工作載荷350Te，試驗(yàn)載荷不低于1．1倍MBL，115°使用角。360°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)纜器配合150t系泊絞車(chē)鋼絲繩使用，工作載荷350Te，試驗(yàn)載荷不低于1．1倍MBL。
3錨系系統(tǒng)計(jì)算分析
3．1錨系設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
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(yùn)輸船總體布置計(jì)劃，并且結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)分析和系泊分析，確定系泊絞車(chē)規(guī)格和數(shù)量，并以此進(jìn)行臨時(shí)導(dǎo)纜樁、帶纜樁的選擇與設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程計(jì)算中采用時(shí)域分析法(附加質(zhì)量，阻尼和波浪力)預(yù)測(cè)運(yùn)輸駁船運(yùn)動(dòng)和錨泊纜繩張力，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為3h，并考慮多種環(huán)境組合;秦皇島32-6CEPI組塊錨泊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:通常要求拖曳錨的安裝位置誤差應(yīng)控制在50m以?xún)?nèi);錨距離水下結(jié)構(gòu)物的水平距離應(yīng)不小于100m;另外，若跨越海底管線(xiàn)、電纜等水下結(jié)構(gòu)，錨應(yīng)布置在系泊纜與海底管纜交叉點(diǎn)的300m水平徑向范圍之外。錨纜張力完整工況動(dòng)態(tài)安全系數(shù)為1．67(據(jù)表1選擇)。15t大抓力錨無(wú)上拔力;若一根錨系損壞，可以承受部分上拔力，但上拔力應(yīng)小于錨的重力;錨纜與海底管線(xiàn)垂直間隙最小值為5．47m(25%水深，見(jiàn)表2)。
3．2環(huán)境條件
秦皇島32-6CEPI組塊錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮兩個(gè)工況:待命工況和操作工況;計(jì)算過(guò)程中假定風(fēng)和流與波成線(xiàn)性關(guān)系;同時(shí)考慮錨系布置不對(duì)稱(chēng)性，浪向取0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。詳細(xì)環(huán)境條件見(jiàn)表3。
3．3錨系計(jì)算
Newmark積分法用于錨泊系統(tǒng)時(shí)域分析計(jì)算中，時(shí)間步驟為0．2s，每次模擬的持續(xù)時(shí)間為3h。分析中波浪采用JONSWAP譜模擬;風(fēng)采用NPD頻譜模擬1min平均風(fēng)速，受風(fēng)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(rèn)為是在恒定速度。采用拖曳面和莫里森方程計(jì)算相對(duì)流速。對(duì)于待命工況，駁船和船頂被建模為一個(gè)具有6自由度的單剛體，在時(shí)域模擬中，因?yàn)轳g船和船頂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是微不足道的，相互作用載荷并不令人擔(dān)憂(yōu)。
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(shí)環(huán)境條件，風(fēng)、浪和流為共線(xiàn)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(jiàn)表5)。通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析研究了在待命工況下錨纜和管線(xiàn)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(shí)。計(jì)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)MOSES計(jì)算15t大抓力錨是否有上拔力，計(jì)算結(jié)果顯示錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長(zhǎng)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(zhǎng)度為57．2m，各錨纜無(wú)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(guò)動(dòng)力學(xué)分析研究了在操作工況下錨纜和管線(xiàn)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(shí)。計(jì)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)MOSES計(jì)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(zhǎng)度為58．18m，各錨纜無(wú)上拔力。
4結(jié)語(yǔ)
國(guó)內(nèi)海洋工程浮托越來(lái)越依賴(lài)錨系，安全，可靠，操作簡(jiǎn)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(jì)4點(diǎn)錨系，6點(diǎn)錨系和8點(diǎn)錨系進(jìn)行輔助作業(yè)，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用MOSES進(jìn)行錨系分析，用SES-AM進(jìn)行時(shí)域分析校核，同時(shí)可利用模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化得出系泊錨纜的長(zhǎng)度、直徑及設(shè)計(jì)角度等結(jié)果。此外，由于浮托現(xiàn)場(chǎng)部分系泊錨纜底部有管線(xiàn)，設(shè)計(jì)中要選取合理位置施加浮筒，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算優(yōu)化浮筒的尺寸和浮筒固定纜繩的長(zhǎng)度，得出最優(yōu)的系泊設(shè)計(jì)方案。
參考文獻(xiàn):
［1］秦立成．我國(guó)海洋平臺(tái)浮托安裝技術(shù)現(xiàn)狀及未來(lái)［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(yùn)動(dòng)特性和觸底條件分析［J］．船舶力學(xué)，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