10000 kW深水動力定位工作船拋起錨穩(wěn)性研究

閆秋蓮，周國平

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032）

0 引言

10000 kW深水動力定位工作船是為海上石油和天然氣勘探、開采工程、建筑設(shè)施等提供多種服務(wù)的海洋工程船舶。隨著海洋油氣開發(fā)作業(yè)水深加大，具有多功能化的深水海洋工程輔助船已成為當今主要開發(fā)船型之一。上海船舶研究設(shè)計院自主研發(fā)設(shè)計了一系列多功能海洋工程輔助船型，10000 kW多用途工作船是最新開發(fā)設(shè)計的一型具有二級動力定位的深水多用途海洋工程輔助船[1]（圖1）。深水拋起錨作業(yè)是10000 kW多用途工作船設(shè)計研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，拋起錨作業(yè)穩(wěn)性的校核也是海洋工程輔助船規(guī)范規(guī)則 的最新要求，正處于探索研究階段，本文對10000 kW多用途工作船深水拋起錨作業(yè)穩(wěn)性進行了計算研究和校核，這在國內(nèi)自主設(shè)計研究的海洋工程輔助船中屬于首次校核研究，獲得了一些學習體會和實踐經(jīng)驗，在此本文就有關(guān)深水拋起錨作業(yè)穩(wěn)性研究工作作一簡要介紹，僅供參考。

圖1 10000 kW多用途工作船

1 船舶概況

1.1 航區(qū)及用途

本船為一艘深水多用途海洋工程輔助船，航行于無限航區(qū)，抗風能力達到12級。船舶主要用于:拖曳海上石油平臺、大型起重船、大型下水駁船和工程作業(yè)船舶，是大型海洋工程裝備遠距離拖航的主拖船；具有較強的拋起錨作業(yè)能力，能提供快速高效的拋起錨作業(yè)服務(wù)；能為海上石油平臺供應甲板貨（鉆井物資和材料、集裝箱、平臺生活用品）、液貨供應（鉆井淡水、淡水、鉆井泥漿、燃油）、散料供應（散裝水泥、重晶石、土粉）等；具有一級對外消防滅火作業(yè)能力[2]；能進行守護值班和營救作業(yè)能力；并具有對儲油輪及到達的提油輪進行拖帶、頂推和撈取油管作業(yè)，協(xié)助其進行提油作業(yè)。船舶設(shè)有二級動力定位系統(tǒng)。船舶滿足中國船級社（CCS）對遠洋拖船、供應船、拋起錨船、一級消防船和二級動力定位船的有關(guān)要求和規(guī)定。

1.2 船級

該船按中國船級社現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則設(shè)計、建造、受之檢驗及批準入級[3]，取得下列船級符號和附加標志:★CSA，★CSM，拖船Tug，供應船Offshore Supply Ship，小塊漂流冰況區(qū)域航行Ice Class B，拋起錨Anchor Handling，第1類消防船F(xiàn)ire Fighting Ship 1，水霧系統(tǒng)Water Spraying，機器處所周期無人值班AUT-0，二級動力定位系統(tǒng)DP-2。

1.3 主要要素

10000 kW多用途工作船主要要素見表1。

2 深水拋起錨設(shè)施配置及作業(yè)能力分析

2.1 深水拋起錨設(shè)施配置

本船能為海上石油平臺進行作業(yè)水深1000 m以內(nèi)的拋起錨服務(wù)。拋起錨作業(yè)設(shè)施配置有雙卷筒液壓拖纜機、液壓鯊魚鉗/擋纜樁裝置、圓筒形艉滾筒及夾層鋼板滑道等[4]。

表1 10000 kW多用途工作船主要要素

對深水拋起錨設(shè)施配置本船在首樓后部主甲板上設(shè)一臺臥式液壓拖纜機，高低布置雙卷筒，下卷筒兩端各帶有一只平臺錨鏈輪（左輪鏈徑?84 mm，右輪鏈徑?76 mm，可更換），拖纜機工作負載3000 kN（第一層），每個卷筒容繩量?70 mm×2000 m，主拖纜破斷負荷3200 kN,拖纜機可在駕駛室后駕控臺上遙控操縱，也可在機旁操縱，拖纜機能用于海上拖航作業(yè)和起拋錨作業(yè)。

在主甲板艉部設(shè)一套升降型組合式液壓鯊魚鉗/擋纜樁裝置，液壓鯊魚鉗安全工作負載5000 kN，適用鏈索直徑?32 mm～?112 mm，液壓擋纜樁安全工作負載:3000 kN，鯊魚鉗和擋纜樁在工作時伸出甲板。在船尾端設(shè)一臥式圓筒形艉滾筒，工作直徑×長度?2.4 m×4.8 m，安全工作負荷5000 kN。在艉部的液壓鯊魚鉗/擋纜樁和艉滾筒之間的鋼甲板作特別加厚處理，并在尾部與艉滾筒連接的主甲板中間設(shè)置與艉滾筒工作寬度相適應的木甲板夾層鋼板滑道，鋼板滑道寬4.8 m，鋼板滑道上表面鋼板與木甲板的鋼質(zhì)壓板平。使船舶能方便地為海上石油平臺提供快速高效的拋起錨作業(yè)服務(wù)。深水拋起錨設(shè)施布置圖見圖2。

2.2 1000 m水深拋起錨作業(yè)能力分析

深水一般是指水深在500 m～1500 m之間的水域，1500 m以上為超深水。在作業(yè)水深1000 m以內(nèi)的錨系泊系統(tǒng)的布置中，最常見的是使用錨鏈加置入鋼纜的柔性懸鏈線系泊方式[5]。拖纜機拖絞力的大小直接反映拋起錨作業(yè)的能力。拖纜機拖絞力可根據(jù)經(jīng)驗公式（1）進行估算:

圖2 深水拋起錨設(shè)施布置圖

圖3 拋起錨作業(yè)示意圖

圖4 拋起錨過程錨鏈線拉力及力臂圖

式中:Wc為每段錨泊索的單位長度重量，kN/m；Wd為水深，m；FB為深水系泊錨的破斷負荷30%，kN，由于作業(yè)水深和深水海上設(shè)施的不同，各種深水系泊錨破斷負荷各不相同，故此處FB用錨鏈破斷負荷的25%代之較為合理。

起錨作業(yè)時錨系泊處于垂直狀態(tài)，拖纜機的拖絞力最大。頂部錨鏈由鉆井平臺承擔質(zhì)量負荷。錨系泊系統(tǒng)布置方案為:

底部錨鏈:平臺錨鏈，鏈徑? 84 mm，長度250m，破斷負荷7230 kN，比重4440 kg/27.5 m；

中間錨纜:鋼芯鋼絲繩，直徑? 90 mm，長度2600 m，破斷負荷7439 kN，比重3932 kg/100 m；

頂部錨鏈:平臺錨鏈，鏈徑?84 mm，長度265 m，破斷負荷7230 kN，比重4440 kg/27.5 m；

圖5 load02工況拋起錨作業(yè)時最大拉力圖

底部錨鏈:平臺錨鏈，鏈徑?84 mm；起錨鏈長度Wd1= 250 m；比重WC1= 4440 kg/27.5 m= 1.582 kN/m；破斷負荷FB= 0.25×7230 = 1807.5 kN；

中間錨纜:起錨纜長度Wd2= 1000 - 250 =750 m；比重WC2= 4700 kg/100 m = 0.385 kN/m。

則有:

在作業(yè)水深1000 m以內(nèi)拋起錨作業(yè)中，錨系泊布置使用錨鏈加置入鋼纜的柔性懸鏈線系泊方式，所需拖纜機的拖絞力約為2991.75 kN。本船配置拖纜機的拋起錨絞力為3000 kN，滿足了船舶為海上深水平臺進行作業(yè)水深1000 m以內(nèi)錨鏈加置入鋼纜的拋起錨作業(yè)要求。在拋起錨穩(wěn)性計算中拋起錨的起絞力按最大值選取3000 kN。拋起錨作業(yè)示意圖見圖3。

3 拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核

3.1 拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核提出背景

在2007年6月6日之前，國際海事組織（IMO）對具有拋起錨作業(yè)能力的近海供應船和拖船不要求核算拋起錨穩(wěn)性。2007年3月13日，挪威的一艘拋起錨船（船名Bourbon Dolphin）在起錨作業(yè)過程中瞬間發(fā)生了側(cè)翻，有8名船員遇難。2007年5月10日，挪威海事局制定了拋起錨穩(wěn)性衡準，并向國際海事組織（IMO）提交了拋起錨穩(wěn)性要求。國際海事組織（IMO）于2007年6月6日發(fā)布了MSC 83/INF.9[6]，要求具有拋起錨能力的近海供應船和拖船必須滿足拋起錨穩(wěn)性，要求從2007年6月6日開始執(zhí)行。

表2 load02工況拋起錨作業(yè)時最大橫傾力矩計算及拋起錨穩(wěn)性校核

中國船級社目前還沒有Anchor Handling船級附加標志，具體的規(guī)范和規(guī)則要求尚未制訂，在本船拋起錨穩(wěn)性核算之前，入中國船級社具有拋起錨能力的海工輔助船基本上沒有核算拋起錨穩(wěn)性要求。10000 kW多用途工作船具有較強的拋起錨作業(yè)能力，船東要求取得Anchor Handling船級符號，作為探索性研究，經(jīng)與中國船級社上海審圖中心協(xié)商，本船根據(jù)MSC 83/INF.9對Anchor Handling的要求進行拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核。

3.2 拋起錨穩(wěn)性衡準分析

拋起錨過程是一個比較復雜的海上作業(yè)活動，錨鏈線上巨大的拉力會使船舶產(chǎn)生相當大的橫傾力矩和船尾快速的橫向旋轉(zhuǎn)，使得螺旋槳推力和舵位置同時失效，進一步增加了船舶橫向力。同時，作用于船上的環(huán)境外載荷風、浪、流的大小也會影響拋起錨操作。

IMO規(guī)定對于具有拋起錨能力的船舶都需要計算額外的船舶完整穩(wěn)性（拋起錨穩(wěn)性），在拋起錨作業(yè)過程中，計算作用于船舶尾滾筒端部的垂向力、水平力和橫傾力矩，在最大橫傾力矩的作用下，船舶最大橫傾角應小于以下任何一個角度:

1）在GZ曲線上，0.5GZmax處所對應的橫傾角；

2）甲板浸水角；

3）15°。

船舶拋起錨過程中，作用于船舶的橫傾力矩是水平力矩和垂向力矩的合力矩，水平力矩的力臂是尾滾筒端部的甲板高度與螺旋槳中心高度之差，垂向力矩的力臂是尾滾筒端部距離船中縱剖面的水平距離，拋起錨過程錨鏈線拉力及力臂圖見圖4。對于從事拋起錨操作的典型裝載工況都必須計算最大橫傾力矩和橫傾角，最大橫傾角要小于拋起錨穩(wěn)性橫準規(guī)定的角度。

3.3 典型工況拋起錨穩(wěn)性計算

本船滿足國際海事組織（IMO）對拋起錨船穩(wěn)性的要求。本船尾滾筒工作直徑×長度:?2.4 m×4.8 m，尾部甲板距離螺旋槳中心高度為6.0 m，本船拖纜機工作負載3000 kN（第一層），故拋起錨穩(wěn)性計算中錨鏈線拉力取拖纜機的最大工作負載3000 kN。拋起錨作業(yè)穩(wěn)性工況校核，主要針對作業(yè)工況中典型的裝載狀態(tài)進行校核，其中包括:load01海上拖帶出港、load02海上拖帶到港、load03供應甲板貨800 t出港、load04供應甲板貨800 t到港、load05減搖水艙開啟時供應甲板貨600 t出港、load06減搖水艙開啟時供應甲板貨600 t到港、load07減搖水艙開啟時供應散裝水泥出港、load08減搖水艙開啟時供應散裝水泥到港、load09減搖水艙開啟時自由航行出港、load10減搖水艙開啟時自由航行到港等裝載狀態(tài)。本文選擇load02海上拖帶到港裝載狀態(tài)作一介紹，在偏離角0°～90°范圍內(nèi)進行拋起錨穩(wěn)性校核（表2），load02裝載工況下最大可允許的拉力圖見圖5。由圖表可見，在滿足拋起錨穩(wěn)性前提下，load02裝載工況在偏離角0°～30°范圍內(nèi)最大可允許的拉力是300 t，偏離角在60°～80°時錨鏈線可允許的拉力為250 t，由此可得偏離角在60°～80°時拋起錨最危險。在拋起錨作業(yè)時，建議在偏離角0°時進行拋起錨操作最安全。

4 結(jié)束語

本船根據(jù)MSC 83/INF.9對Anchor Handling的要求所進行拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核，可得如下結(jié)論:

1）在拋起錨穩(wěn)性計算過程中發(fā)現(xiàn)，當船尾傾越大，尾部甲板入水角越小，拋起錨穩(wěn)性越不好。故裝載過程中，盡量減少尾傾。

2）當船舶吃水比較淺或者吃水很大的時候，拋起錨穩(wěn)性較差。拋起錨實際操作過程中，選擇合適的裝載工況進行拋起錨操作非常重要。

3）當錨鏈線偏離角在0°的時候，在滿足拋起錨穩(wěn)性衡準前提下，錨鏈線受力最大，拋起錨作業(yè)最安全。

深水拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核是海洋工程輔助船設(shè)計研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，10000 kW多用途工作船拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核可以給海洋工程輔助船設(shè)計研究提供參考，給中國船級社針對Anchor Handling船級附加標志的規(guī)范和規(guī)則指示性文件的制訂和執(zhí)行提供一定參考。

[1]周國平, 閆秋蓮. 10000 kW深水動力定位工作船設(shè)計研究[J]. 船舶工程, 2012(3):6-9.

[2]周國平. 海工輔助船對外滅火作業(yè)安全保障設(shè)計研究[J]. 中國造船, 2008, 49(Z2):172-178.

[3]中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[S]. 2009.

[4]周國平. 三用拖船主要功能的設(shè)計特點[J]. 船舶設(shè)計通訊, 1998(3-4):12-23.

[5]陸忠杰, 周國平. 深水錨系泊作業(yè)技術(shù)應用初探[J].船舶設(shè)計通訊, 2011(2):67-72.

[6]IMO MSC83/INF.9.[S]. 2007.