海上移動(dòng)平臺(tái)的拖航阻力

曹樹(shù)杰 李紅濤

海上拖航運(yùn)輸中，準(zhǔn)確估算被拖物的拖航阻力，對(duì)選配合適的拖輪，滿足規(guī)范要求，確保整個(gè)拖航航次的安全、經(jīng)濟(jì)、有效，具有十分重要的意義。海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)，如自升式、半潛式、坐底式等類(lèi)型平臺(tái)，往往自身沒(méi)有自航能力，需要拖輪進(jìn)行拖航。此類(lèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)其拖航阻力，其一根據(jù)拖航阻力來(lái)確定拖帶設(shè)備的配備，其二現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)可依據(jù)拖航阻力曲線選擇拖輪，確定拖航速度。

拖航阻力計(jì)算

中國(guó)船級(jí)社的《海上拖航指南》（1997）及Nobel Denton的海上拖航規(guī)范中明確規(guī)定，對(duì)于無(wú)限航區(qū)的拖航，所需最小拖力應(yīng)滿足：在風(fēng)速20m/s，船首流速0.5m/s，有義波高5m/s的環(huán)境條件同方向作用下，拖船拖帶力至少應(yīng)能保持被拖船的航向。海上移動(dòng)平臺(tái)拖帶設(shè)備的設(shè)計(jì)，包括拖纜的破斷負(fù)荷、卸扣、三角板、拖點(diǎn)等，即以此得到的最小系柱拖力為基礎(chǔ)進(jìn)行，具體要求可參見(jiàn)《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（1999）。

通過(guò)理論計(jì)算得到拖航阻力的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)是比較困難的，涉及到風(fēng)、浪、流外部載荷以及平臺(tái)的具體型式，較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)一般應(yīng)通過(guò)水池模型試驗(yàn)得到，但實(shí)際工程中，為節(jié)省費(fèi)用、周期，設(shè)計(jì)者往往采用較為保守的計(jì)算方法。CCS的《海上拖航指南》（1997）附錄2給出了粗略的拖航阻力的估算方法，只是估算了摩擦阻力、剩余阻力以及風(fēng)阻，缺少波浪阻力；Nobel Denton的海上拖航規(guī)范中只是原則性的提到了拖航阻力要求，并沒(méi)有給出具體計(jì)算方法。

海上移動(dòng)平臺(tái)的拖航阻力主要包括風(fēng)阻力、流阻力以及波浪阻力。

風(fēng)阻力

根據(jù)CCS MODU，作用在平臺(tái)上的風(fēng)載荷RWD按如下公式計(jì)算，

式中， ρ為空氣密度，分別為高度系數(shù)和形狀系數(shù)，取值可按規(guī)范選??； S為平臺(tái)沿風(fēng)吹方向的正投影面積； VW為設(shè)計(jì)風(fēng)速。

作用于自升式平臺(tái)桁架式樁腿上的風(fēng)力可按如下公式計(jì)算,

式中， CD為樁腿的形狀系數(shù)； D為樁腿直徑； L為樁腿高度。其中CDD可按如下公式計(jì)算，

式中， xi為風(fēng)向與構(gòu)件水平投影的夾角； βi為構(gòu)件與水平軸的夾角； CDi為樁腿構(gòu)件的形狀系數(shù)，圓形一般可取為0.5； Di為樁腿構(gòu)件直徑， li為樁腿構(gòu)件長(zhǎng)度， S為樁腿節(jié)距； De為樁腿相當(dāng)直徑，可按如下公式計(jì)算，

流阻力

按照中國(guó)船級(jí)社《海上拖航指南》（1997）的要求，被拖平臺(tái)的流阻力可按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，

式中， RT為被拖平臺(tái)所受流阻力；為被拖平臺(tái)的摩擦阻力和剩余阻力，可按如下近似方法計(jì)算得到，

式中， A1為平臺(tái)的水下濕表面積； VC為拖航速度與實(shí)際流速之和； δ為平臺(tái)的方形系數(shù)； A2為平臺(tái)浸水部分的船中橫剖面積。

波浪阻力

海上移動(dòng)平臺(tái)拖航過(guò)程中的波浪阻力可按其在波浪中遭受的二階平均漂移力確定。平均漂移力的求解按如下步驟進(jìn)行：

① 首先按三維勢(shì)流理論計(jì)算單位波幅規(guī)則波下的二階定常漂移力；

② 根據(jù)實(shí)際海況選取多個(gè)頻率的單位規(guī)則波，計(jì)算平臺(tái)受到的二階漂移力，即漂移力的RAO，在此稱(chēng)之二階漂移力系數(shù)WC(ω)；

③ 由以上得到的二階漂移力系數(shù)，選取拖航海域合適的波譜，按如下公式計(jì)算平均漂移力，即波浪阻力RWA，

式中， S(ω)為海浪普。

拖航總阻力

將以上風(fēng)阻力、流阻力和波浪阻力相加，可得到被拖平臺(tái)的拖航總阻力，即，

拖曳設(shè)備的配備

中華人民共和國(guó)船舶檢驗(yàn)局《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（1999）規(guī)定，確定海上移動(dòng)平臺(tái)拖航所需最小拖帶力的環(huán)境條件為：風(fēng)速等于20m/s（風(fēng)從船首或30度方向吹來(lái)），船首水流速為0.5m/s，有義波高為5m的條件下，拖帶力至少應(yīng)能保持被拖物的航向。以此環(huán)境條件為基礎(chǔ)，按照1節(jié)所述方法計(jì)算可得到總拖航阻力，即最小拖帶力 。因此，拖船的系柱拖力BP應(yīng)滿足，

式中， Te為拖船拖航效率，一般與拖船的船型、拖航海況條件及拖航速度有關(guān)，在缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情形下，可按Nobel Denton的海上拖航規(guī)范[2]中要求進(jìn)行選取，如表1所示。

表1 拖船拖航效率

選擇拖纜的破斷負(fù)荷按表2確定。

表2 拖纜的最小破斷負(fù)荷

此外，拖力點(diǎn)或拖力眼板或系纜樁，至少應(yīng)能承受拖纜破斷負(fù)荷的1.3倍；所有卸扣、環(huán)及連接設(shè)備的極限負(fù)荷能力，應(yīng)不小于拖纜破斷負(fù)荷的1.5倍。

拖船的選擇

海上移動(dòng)平臺(tái)拖航時(shí),拖航速度是確保拖航安全的一個(gè)重要因素。由以上所述方法可確定平臺(tái)在指定海況下、不同拖航速度下的拖航阻力。一般在平臺(tái)的操作手冊(cè)中，應(yīng)至少包括幾種不同海況條件下的拖航阻力曲線，可供平臺(tái)作業(yè)者選擇使用。當(dāng)平臺(tái)作業(yè)者選擇拖船時(shí)，首先應(yīng)確保拖船系柱拖力滿足上述的最小拖帶力 ；然后查閱拖輪的拖力曲線，即在確定海況下、不同拖航速度下，系柱所能發(fā)揮的凈拖力；最終與平臺(tái)阻力曲線比較，兩條曲線的交點(diǎn)，表示拖力與阻力相等，此時(shí)對(duì)應(yīng)的拖航速度，即為能獲得的最大拖航速度。典型的兩條曲線如圖1所示。

圖1 拖力和阻力曲線

算例中的平臺(tái)為懸臂梁式自升式鉆井平臺(tái)，采用三角形箱形主船體，配有三個(gè)桁架式樁腿，艏一尾二，每個(gè)樁腿帶有一個(gè)六邊形的樁靴，拖航時(shí)可收回船底，樁腿長(zhǎng)度為93.39米，拖航船體吃水為5.35米。

按第1節(jié)所述方法計(jì)算算例平臺(tái)的拖航阻力, 得到風(fēng)阻力為75.02t流阻力為流阻力為0.82t, 使用SESAM軟件計(jì)算漂移力系數(shù)，圖2為算例平臺(tái)的為算例平臺(tái)的為算例平臺(tái)的為算例平臺(tái)的水動(dòng)力水動(dòng)力模型,圖3為二階定常漂移力RAO, 波浪譜采用ITTC波譜，計(jì)算得到波浪阻力為33.8t, 因此最小拖帶力TPR=75.02+0.82+33.8=110t, 與此平臺(tái)操作手冊(cè)中規(guī)定的115t基本一致。 因此系柱, 因此，此平臺(tái)的拖曳設(shè)備應(yīng)按此系柱拖力進(jìn)行選型配備。

按表3規(guī)定的平靜海況、中等海況和惡劣海況分別計(jì)算平臺(tái)在不同拖航速度下的拖航阻力，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

此3種海況條件可基本涵蓋海上拖航環(huán)境，有了此3種拖航阻力曲線，平臺(tái)作業(yè)者可按第3節(jié)所述方法選擇拖船，進(jìn)而可確定最終安全拖航速度。

表3 拖航的三種海況

圖2 水動(dòng)力模型

圖3 漂移力RAO

圖4 拖航阻力曲線圖

通過(guò)對(duì)上述自升式鉆井平臺(tái)拖航阻力的計(jì)算驗(yàn)證，可得到如下結(jié)論：一是風(fēng)阻力在拖航阻力中占了較大比重，因此拖航中應(yīng)盡量減少移動(dòng)平臺(tái)的受風(fēng)面積；二是拖航阻力隨拖航速度增加增長(zhǎng)較快，因此拖航過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制拖航速度，確保拖航安全；三是應(yīng)根據(jù)實(shí)際拖航海域環(huán)境條件及平臺(tái)的阻力曲線，經(jīng)濟(jì)、合理選擇拖船，既要避免“大馬拉小車(chē)”，又要避免拖輪拖力不足，遇到風(fēng)浪，發(fā)生意外。