鋪管船作業(yè)安全性的評估方法

汪 薔，任慧龍，李 輝，李陳峰

(哈爾濱工程大學 船舶與海洋工程力學研究所，哈爾濱150001)

西氣東輸二線香港支線是西氣東輸二線管道工程項目中的一部分，香港支線起于大鏟島末站，經(jīng)海底敷設至香港龍鼓灘輸氣站。實際項目中，采用“中油海101”鋪管船進行海底管道敷設。在不同海況下，采用錨泊移位系統(tǒng)［1］的鋪管船受到風載荷、流載荷、慢漂力和系泊力的綜合作用，其作業(yè)的安全性成為工程人員重點關注的問題，而此前并沒有業(yè)界認可的規(guī)范性方法，因此本文針對鋪管船作業(yè)安全性的評估方法和相關結論對實際工程有十分重要的參考價值。

1 相關參數(shù)

1.1 坐標系系統(tǒng)

為便于描述船舶運動，引入坐標系O-XYZ，原點位于艉垂線與基線的交點，X軸平行于船體基線指向船艏，Y軸與X軸相垂直并指向左舷，Z軸豎直向上。風浪流方向根據(jù)風浪流方向角來確定，風浪流方向角是指坐標系X軸正向逆時針旋轉到風浪流傳播方向所形成的夾角。其中，隨浪方向為0°，迎浪方向為180°。

1.2 鋪管船基本參數(shù)

鋪管船基本結構參數(shù)［2］:總長123.78 m;垂線間長115.00 m;型寬32.20 m;型深6.50 m;設計吃水4.00 m;排水量14 539.30 t。

1.3 錨泊系統(tǒng)參數(shù)

鋪管船錨泊系統(tǒng)使用鋼芯鋼絲繩，具體參數(shù):重量集度18.10 kg/m;最小破斷拉力3 560 kN;彈性模量170 GPa;抗拉強度2 160.00 MPa。

2 風載荷、流載荷的計算

《CCS海上移動平臺入級與建造規(guī)范》［3］(以下簡稱《規(guī)范》)中關于構件上的風載荷Ff為

式中:v——設計風速，m/s;

S——平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時，受風構件的正投影面積，m2;

Ch、Cs——受風構件的高度和形狀系數(shù)，Cs由《規(guī)范》中對高度系數(shù)和形狀系數(shù)的規(guī)定來確定。

構件上的海流載荷計算公式為

式中:CD——曳力系數(shù);

ρW——海水密度，kNs2/m4;

v——設計海流流速，m/s;

S——構件在與流速垂直平面上的投影面積，m2。

AQWA水動力軟件通過用戶輸入的風流系數(shù)來確定風載荷和流載荷。在計算海洋平臺時，平臺形狀對稱，風流系數(shù)計算較為容易;在計算FPSO時，由于FPSO外形較規(guī)整，可根據(jù)《Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs》中的關于VLCC的風流系數(shù)曲線進行近似取值;而對于鋪管船，上層建筑物較為復雜，且目前尚無規(guī)范性的風流系數(shù)曲線進行近似取值，本文從風流系數(shù)的定義出發(fā)，提出一種通用性的風流系數(shù)計算公式，來較為準確地確定鋪管船風流系數(shù)。風力系數(shù)為;流力系數(shù)為C令構件的投影面積乘以相應系數(shù)為有效投影面積S'，風流系數(shù)的確定關鍵在于有效投影面積S'的合理確定。

考慮到風力系數(shù)中的投影面積較為復雜，現(xiàn)以風力系數(shù)為例來說明風流系數(shù)的計算方法。假定來風方向為90°時，船體水上共有n個受風結構，其中第i個結構在XOZ平面的投影面積為Ai，相應投影面形心的X方向坐標為xi;來風方向為0°時，船體水上共有k個受風結構，其中第j個結構在YOZ平面的投影面積為Bj，相應投影面形心的Y方向坐標為yj。在風向角為α時，根據(jù)高度系數(shù)和形狀系數(shù)進行縮減后的有效投影面積S'可以表達為

縮減后的有效投影面積乘上相應常量即可得到風力系數(shù)W的表達式。實際軟件中需輸入風力系數(shù)在x、y和繞z方向的分量Wx、Wy、Wrz。

式中:x0，y0，z0——船舶重心坐標。

類似于風力系數(shù)的計算，可以獲得流力系數(shù)在x、y和繞z3個方向的分量Cx、Cy、Crz。

3 鋪管船作業(yè)安全性評估

在Ansys中建立如圖1所示的鋪管船濕表面網(wǎng)格，利用AQWA水動力軟件進行鋪管船的頻域分析以及與錨泊系統(tǒng)耦合的時域分析［4］，計算出不同工況下鋪管船錨鏈張力和位移偏移量，通過與相應許用值比較來實現(xiàn)鋪管船作業(yè)安全性的評估。工程上較為關心最大錨鏈張力，定義各錨鏈中張力最大的錨鏈為主要承力鏈。在給定工況和布錨方式下，通過主要承力鏈的張力隨其長度變化的曲線，確定最小張力對應的錨鏈長度范圍，從而實現(xiàn)主要承力鏈的錨鏈長度優(yōu)化。

圖1 鋪管船濕表面網(wǎng)格

4 批量工況計算的程序化

由蒲式風級表得到風級與波高對應關系，聯(lián)合鋪管船實際作業(yè)海域的海浪分布資料，設計具體計算工況，計算流速選為0.34 m/s，風級變化從3級到7級，有義波高從0.5 m變化到4.0 m，共8個，具體數(shù)值見表1。

根據(jù)實際作業(yè)情況，選定11種鋪管船作業(yè)時的布錨狀態(tài)。在對每一種布錨方式進行分析時，需要對風浪流方向進行劃分，默認風浪流方向一致，保證此時對船舶作用效果最大。浪向從0°到180°以30°間隔進行取值，7個浪向與8個有義波高進行組合得到每種布錨狀態(tài)下可能遭遇的海況，因此每種布錨狀態(tài)都需要計算56種工況。

不同工況的差別只是風浪流參數(shù)不同，每種工況下都需要提取8根錨鏈中最大承力鏈的號碼以及錨鏈最大張力，人工機械的方式處理此過程非常耗時。本文通過Fortran語言編寫可執(zhí)行文件實現(xiàn)組合不同風浪流參數(shù)，生成不同工況下AQWA軟件所需的輸入文件;利用批處理語言調用Fortran可執(zhí)行文件和AQWA軟件，實現(xiàn)在恰當?shù)亟o定布錨方式和工況下，錨鏈張力的批量計算和結果數(shù)據(jù)提取，極大地節(jié)省了人力。

表1 錨鏈張力計算結果

為保證計算結果準確，最大錨鏈張力應在錨鏈張力數(shù)值處于平穩(wěn)變化的時間段進行選取，避免由于平衡位置調整引起的錨鏈張力出現(xiàn)突變值。

5 算例分析

5.1 鋪管船風流系數(shù)的計算結果

根據(jù)“中油海101”鋪管船具體結構形狀，確定風力系數(shù)曲線和流力系數(shù)曲線，見圖2和圖3。

5.2 鋪管船錨鏈張力值的安全性評估

依據(jù)鋪管船實際作業(yè)海域地勢特點，選定布錨方式，以其中龍鼓航道段第三階段布錨方式為例，見圖4。錨鏈張力許用值根據(jù)《規(guī)范》中對錨纜安全系數(shù)的規(guī)定取為2.0。鋼芯鋼絲繩最小破斷力為3 560 kN，因此許用張力值為1 780 kN，將錨鏈張力最大值與許用張力值相比較，實現(xiàn)從錨鏈張力值方面對進行鋪管船作業(yè)安全性的評估。表1中灰色區(qū)域代表錨鏈張力超過許用值的工況。表中No.代表錨鏈編號。

5.3 鋪管船運動偏移量的安全性評估

鋪管船在作業(yè)時，對不同方向的位移范圍有一定要求。其中縱向x偏移量，橫向y偏移量，垂向z偏移量和艏搖角數(shù)值較大，工程上較為關心。以圖4龍鼓航道段第三階段布錨方式為例，通過計算得到不同工況時鋪管船重心位移變化量。表2為有義波高為1.25 m、不同浪向下鋪管船重心位移偏移量，表3為浪向為30°、不同有義波高下鋪管船重心位移偏移量。

圖4 龍鼓航道段第三階段布錨方式示意

表2 1.25 m有義波高不同浪向鋪管船重心位移最大偏移量

表3 30°浪向時不同波高位移最大偏移量

由表2可見，在橫浪海況下，多項位移偏移量達到最大值，因此橫浪海況應為工程人員重點關注的海況。當此時位移偏移量超過鋪管船允許作業(yè)范圍時，可采用拖輪輔助作業(yè)。由表3結果可知，各項位移偏移量隨波高的增大而增大，因此波高較大工況應重點關注。

5.4 錨鏈長度優(yōu)化

選取龍鼓航道段第一階段布錨方式為例，布錨方式見圖5。在浪向60°、1.5 m有義波高下，6號錨鏈為主要承力鏈，繪制該鏈張力隨其長度的變化曲線，由圖6可知，錨鏈長度為400 m左右時，錨鏈張力值達到最小。

圖5 龍鼓航道段第一階段布錨方式

圖6 錨鏈張力隨錨鏈長度變化曲線

6 結論

1)本文所提出的AQWA的風流系數(shù)計算公式適用于不同船型、不同上層建筑形式的船舶，計算結果可靠。

2)程序化處理方法實現(xiàn)了大量工況的自動計算和結果處理，提高了鋪管船作業(yè)安全性評估的工作效率，縮短了工作周期。

3)本文提出了錨鏈長度的優(yōu)化方法，實際鋪管作業(yè)時，可分析當天海況下主要承力鏈，確定其最佳長度范圍，使主要承力鏈的張力盡可能減小，增強作業(yè)安全性。

［1］王銘銘.鋪管船錨泊移位系統(tǒng)的分析及應用［D］.大連:大連理工大學，2008.

［2］羅曉健.淺水起重鋪管船定位錨泊系統(tǒng)配置研究［J］.中國海洋平臺，2012，27(1):9-12.

［3］中國船級社.CCS海上平臺入級與建造規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］劉應中，繆國平.系泊系統(tǒng)動力分析的時域方法.上海交通大學學報，1997，33(11):7-12.