半潛式起重鋪管船系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋安科，何 寧，鐘文軍，蔡元浪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

系泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮以下因素：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，環(huán)境載荷的計(jì)算，系泊分析的方法，以及系泊設(shè)備的選取和配置等。

系泊系統(tǒng)的設(shè)備包括系泊絞車、導(dǎo)向輪、鋼絲繩和錨。設(shè)備的功能參數(shù)由船體在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下所受的環(huán)境載荷所決定。

按照不同的分類依據(jù)，系泊系統(tǒng)分析的方法可簡單分為頻域分析和時(shí)域分析，耦合分析和非耦合分析，或者靜力分析和動(dòng)力分析。本文所討論的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法是非耦合的頻域動(dòng)力分析方法，即船體運(yùn)動(dòng)和系泊纜運(yùn)動(dòng)分開考慮，不考慮兩者之間的耦合效應(yīng)，系泊纜拉力計(jì)算中考慮了系泊纜的動(dòng)力效應(yīng)，系統(tǒng)響應(yīng)使用了基于環(huán)境波浪譜的譜分析方法。

一般地，在工程類船舶整個(gè)生命周期內(nèi)，系泊纜和錨等結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷多次的拋錨和起錨操作，每次的作業(yè)期短則數(shù)天，長則數(shù)周，因此，這類船的系泊系統(tǒng)屬于臨時(shí)系泊系統(tǒng)，不需要進(jìn)行疲勞分析。但船體上的導(dǎo)向輪及其支撐結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行疲勞分析。對(duì)于系泊纜和錨，只需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

本文主要討論了系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中基于系泊纜強(qiáng)度分析的系泊纜尺寸的確定，以及系泊絞車和錨的選取。

1.3.3 1年后復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移情況和死亡情況評(píng)價(jià) 患者在治療過程中檢查患者的周圍淋巴結(jié)如胸壁、腋窩淋巴結(jié)和鎖骨上淋巴結(jié)是否有腫大等異常情況，從而確定是否有局部和區(qū)域淋巴結(jié)復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的情況；定期進(jìn)行影像學(xué)檢查，判斷腫瘤是否有全身轉(zhuǎn)移的情況，通過X線胸片檢查了解肺部轉(zhuǎn)移情況，通過腹部超聲和CT檢查，判斷是否具有肝轉(zhuǎn)移，此外還可以進(jìn)行直腸指診，判斷是否有腹部轉(zhuǎn)移，懷疑有骨轉(zhuǎn)移時(shí)，可以進(jìn)行骨掃描，判斷是否具有骨轉(zhuǎn)移，從而判定患者是否有腫瘤的遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移；檢查患者的腫瘤標(biāo)記物、激素、生化等指標(biāo)，在隨訪過程中[7-10]，腫瘤標(biāo)記物的升高，往往提示腫瘤的復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移。分析兩組患者復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移情況和死亡情況。

1 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

系泊設(shè)計(jì)中主要考慮兩個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)：船體的運(yùn)動(dòng)位移和系泊纜中的拉力。

系泊設(shè)計(jì)中把系泊系統(tǒng)對(duì)環(huán)境載荷的響應(yīng)分為兩類：靜力響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)。其中，動(dòng)力響應(yīng)又分為低頻響應(yīng)和波頻響應(yīng)兩部分。波頻響應(yīng)主要由一階波浪載荷引起；引起系泊系統(tǒng)低頻響應(yīng)的包括風(fēng)載荷和二階低頻波浪載荷。

1.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全準(zhǔn)則分為兩類：一種是以工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法(WSD)為基礎(chǔ)的(全局)安全系數(shù)法，美國船級(jí)社(ABS)和美國石油學(xué)會(huì)(API)的規(guī)范中即采用這種方法；另一種是挪威船級(jí)社(DNV)規(guī)范[1]所采用的局部安全系數(shù)法。

在局部安全系數(shù)法中，對(duì)平均環(huán)境載荷(靜力)效應(yīng)和動(dòng)載荷(動(dòng)力)效應(yīng)使用了不同的安全系數(shù)，并以利用率(系數(shù))u為衡準(zhǔn)，定義如下：

(1)

式中：SC為系泊纜的特征強(qiáng)度；TC-mean為系泊纜的特征平均拉力，來自預(yù)張緊力和平均環(huán)境載荷；TC-dyn為纜繩的特征動(dòng)拉力，來自環(huán)境的低頻和波頻載荷；γmean和γdyn分別是平均拉力和動(dòng)拉力的安全系數(shù)。

根據(jù)DNV規(guī)范[1]，在計(jì)算分析中極限工況(ULS)和失效工況(ALS)下對(duì)應(yīng)不同的后果等級(jí)應(yīng)使用不同的安全系數(shù)，如表1所示。根據(jù)系泊系統(tǒng)失效發(fā)生后所帶來的后果的嚴(yán)重程度，定義以下兩個(gè)后果等級(jí)：(1)等級(jí)1，系泊系統(tǒng)失效不太可能帶來不可接受的后果；(2)等級(jí)2，系泊系統(tǒng)失效很有可能帶來不可接受的后果。

表1 動(dòng)力分析法的局部安全系數(shù)Table 1 Partial safety factors for dynamic analysis

*注：在平均拉力超過總動(dòng)拉力的2/3時(shí)，安全系數(shù)均取1.3[1]。

1.2 系泊系統(tǒng)頻域動(dòng)力分析方法

在頻域系泊分析中，系統(tǒng)響應(yīng)將低頻和波頻部分分開考慮，即船體運(yùn)動(dòng)位移包括靜平衡狀態(tài)的平均位移、低頻運(yùn)動(dòng)位移和波頻運(yùn)動(dòng)位移；系泊纜拉力分為靜載荷下的平均拉力、波頻拉力和低頻拉力。系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)是在環(huán)境平均載荷——包括風(fēng)力、流力和平均波浪漂移力，以及[推進(jìn)器輔助系泊(TAM)系統(tǒng)中的]推進(jìn)器推力等——的共同作用下船體達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的位移和對(duì)應(yīng)的系泊纜拉力。

波頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過由水動(dòng)力分析得到的波頻運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)來計(jì)算運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜：

(2)

進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差。位移標(biāo)準(zhǔn)差為

(3)

速度標(biāo)準(zhǔn)差為

(4)

(5)

(6)

低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)需要通過求解低頻運(yùn)動(dòng)方程

(7)

得到傳遞函數(shù)矩陣

(8)

進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜矩陣

(9)

(10)

式中：FLF為低頻環(huán)境作用力；M為質(zhì)量矩陣(包括附加質(zhì)量)；K為剛度矩陣；低頻非線性阻尼矩陣C需經(jīng)過隨機(jī)線性化處理。低頻運(yùn)動(dòng)的有義值可以按照高斯過程假設(shè)計(jì)算，即

(11)

(12)

但低頻運(yùn)動(dòng)的極值不能按照高斯過程假設(shè)計(jì)算，需要按照適用于非高斯隨機(jī)過程的Stansberg方法[4]計(jì)算得到：

(13)

最后，按照通常的方法[1]，通過疊加波頻和低頻以及平均位移得到船體運(yùn)動(dòng)的總最大位移，即取下式計(jì)算中較大的結(jié)果：

(14)

系泊纜拉力的動(dòng)力分析使用了一種簡化的解析模型[3]，將系泊纜的多自由度運(yùn)動(dòng)簡化為一個(gè)等效的單自由度運(yùn)動(dòng)方程來描述：

(15)

由等效運(yùn)動(dòng)方程可以得到由頂點(diǎn)(導(dǎo)纜器處)沿系泊線切向的運(yùn)動(dòng)位移xt到等效位移u的傳遞函數(shù)，以及由xt到系泊纜內(nèi)動(dòng)態(tài)拉力TD的傳遞函數(shù)：

(16)

(17)

然后，可以得到等效位移和動(dòng)拉力的方差及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)的方差：

(18)

(19)

最后，系泊纜動(dòng)態(tài)拉力的最大值可以按照Stansberg方法計(jì)算得到。

2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

深水鋪管起重船(以下簡稱本船)是海洋石油工程股份有限公司自主設(shè)計(jì)的一條用于深水平臺(tái)的鋪管和起重作業(yè)的六立柱半潛式工程船。本船船長約180m，船寬98m，作業(yè)吃水37m，配備有最大水深3000m的J型鋪管系統(tǒng)和兩臺(tái)6000t的起重機(jī)。在其設(shè)計(jì)任務(wù)書中對(duì)定位系統(tǒng)的功能要求是：在水深小于300m水域進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)使用系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，在其他情況下使用動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行定位。

定位系統(tǒng)的功能需求是：在待機(jī)環(huán)境條件下，動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)滿足迎風(fēng)浪條件下的定位能力需求，系泊定位系統(tǒng)應(yīng)滿足完整工況和單項(xiàng)失效工況下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。關(guān)于動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)另文詳述，本文只討論頻域動(dòng)力分析方法在系泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1 設(shè)計(jì)環(huán)境條件與定常環(huán)境載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，本船的系泊設(shè)計(jì)中需要考慮的設(shè)計(jì)環(huán)境條件的參數(shù)如表2所示。其中，波譜取JONSWAP譜，譜峰系數(shù)γ取平均值3.3。

風(fēng)和流引起的定常環(huán)境載荷使用由風(fēng)洞試驗(yàn)測得的風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)計(jì)算得到。波浪引起的平均波浪漂移載荷可以用由水動(dòng)力分析得到的平均波漂力系數(shù)計(jì)算得到。用懸鏈線理論的靜力分析方法即可得到在定常環(huán)境載荷作用下的系統(tǒng)響應(yīng)。

表2 系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件Table 2 Environmental conditions for mooring system design

2.2 系泊分析結(jié)果

按照上文所述方法進(jìn)行頻域系泊動(dòng)力分析，最終確定系泊纜全部采用直徑96mm的鋼絲繩，計(jì)算中用到的其他系泊纜參數(shù)如表3所示。系泊系統(tǒng)的布置方式如圖1所示。

表3 系泊纜參數(shù)Table 3 Mooring line parameters

圖1 系泊系統(tǒng)布置圖Fig.1 Mooring system layout

在系泊分析中，考慮到系統(tǒng)和船體的對(duì)稱性，僅考慮了0°～180°的環(huán)境方向，且僅考慮了300m水深下風(fēng)浪流同向的情況。每根系泊纜的頂部初始拉力均為600kN。

根據(jù)DNV規(guī)范的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本船的系泊系統(tǒng)在起重作業(yè)工況下按照等級(jí)2的準(zhǔn)則進(jìn)行核準(zhǔn)，在起重待機(jī)工況下按照等級(jí)1的準(zhǔn)則進(jìn)行核準(zhǔn)。

系泊分析的結(jié)果表明，在起重作業(yè)環(huán)境下，所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)滿足規(guī)范對(duì)完整工況(即ULS)和單纜失效工況(即ALS)的安全衡準(zhǔn)；但是，在待機(jī)環(huán)境條件下，由于環(huán)境載荷比作業(yè)環(huán)境更大，系泊系統(tǒng)在絕大多數(shù)環(huán)境方向下不能同時(shí)滿足規(guī)范對(duì)ULS和ALS的安全準(zhǔn)則要求，因此，需要考慮開啟TAM系統(tǒng)進(jìn)行定位。

2.3 TAM系統(tǒng)系泊分析結(jié)果

在TAM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析中使用了簡化的分析方法：平均載荷折減法，即在計(jì)算分析中沒有考慮DP控制系統(tǒng)的剛度和阻尼對(duì)船體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力分析的影響。而且，推進(jìn)器系統(tǒng)的推力僅用于平衡環(huán)境的平均力，不考慮對(duì)環(huán)境艏搖力矩的平衡，即推進(jìn)器系統(tǒng)不用于艏向控制。

根據(jù)總布置圖，本船配置12臺(tái)4500kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，每臺(tái)推進(jìn)器能提供的最大推力為780kN，推進(jìn)器總功率54MW，能提供的最大推力為9360kN。分析中考慮了10%的推力折減，所有推進(jìn)器可提供的最大推力合力是780×0.9×12=8424kN，可以覆蓋大部分方向的待機(jī)環(huán)境下的平均靜載荷。

對(duì)于推進(jìn)器輔助定位系統(tǒng)，單項(xiàng)失效工況(即ALS)需要考慮兩種情況：單纜失效和推進(jìn)器系統(tǒng)失效。推進(jìn)器系統(tǒng)的失效包括單臺(tái)推進(jìn)器的失效、控制系統(tǒng)故障、動(dòng)力系統(tǒng)故障等。本文中，僅保守地考慮了后果最嚴(yán)重的(全船失電)情況下推進(jìn)器推力全部損失作為推進(jìn)器系統(tǒng)失效工況。

分析結(jié)果表明，在待機(jī)環(huán)境條件下，開啟TAM系統(tǒng)后，所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)可以同時(shí)滿足規(guī)范對(duì)ULS和ALS的安全準(zhǔn)則要求。完整工況下，在最危險(xiǎn)的環(huán)境方向，推進(jìn)器系統(tǒng)至少需要提供30%推力才能滿足安全準(zhǔn)則要求。在單纜失效的情況下，在最危險(xiǎn)的環(huán)境方向，推進(jìn)器系統(tǒng)至少需要提供60%推力才能滿足安全要求。在最保守的推進(jìn)器系統(tǒng)失效工況下，所有方向下所有系泊纜的利用率均小于1，滿足設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)。

出于安全的考慮，建議依據(jù)系泊纜拉力監(jiān)測的結(jié)果，在系泊拉力大于447t[約為最小破斷拉力(MBL)的61%]時(shí)開啟推進(jìn)器系統(tǒng)進(jìn)行輔助系泊定位。

作為一條具備自航能力的工程船，本船沒有考慮取得DNV的POSMOOR船級(jí)符號(hào)，設(shè)計(jì)工況沒有考慮自存工況(北大西洋百年一遇環(huán)境)，因此，當(dāng)環(huán)境條件比待機(jī)環(huán)境更惡劣時(shí)，應(yīng)提前準(zhǔn)備駛離惡劣海況的海域，若不能及時(shí)收回系泊纜，應(yīng)啟動(dòng)絞車的緊急釋放裝置，棄纜駛離。

2.4 系泊設(shè)備選取

根據(jù)系泊分析的結(jié)果，起重作業(yè)時(shí)，單纜失效工況下系泊纜承受最大的拉力，在最危險(xiǎn)環(huán)境方向下，系泊纜頂部拉力最大值為5984.9kN，錨端受力最大值為5771.6kN，躺底纜長度為303.34m，錨端沒有上拔力。因此，根據(jù)規(guī)范[5]要求，需要配置承載力至少為589t的錨和剎車載荷至少為610t的絞車。

3 結(jié) 語

使用頻域動(dòng)力分析方法對(duì)一艘半潛式工程船進(jìn)行系泊系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。對(duì)于船體的波頻運(yùn)動(dòng)，由水動(dòng)力分析得到運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)，而對(duì)于低頻運(yùn)動(dòng)，則通過求解運(yùn)動(dòng)方程得到傳遞函數(shù)，然后按照窄帶高斯隨機(jī)過程假設(shè)計(jì)算有義值和最大值；系泊纜運(yùn)動(dòng)簡化為單自由度等效模型，并由運(yùn)動(dòng)方程得到動(dòng)拉力的傳遞函數(shù)，按照窄帶高斯隨機(jī)過程假設(shè)計(jì)算有義值，用Stansberg方法計(jì)算最大值。

所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)滿足DNV規(guī)范的局部安全系數(shù)法的安全準(zhǔn)則要求，在待機(jī)環(huán)境下，需要開啟推進(jìn)器輔助系泊系統(tǒng)，使用保守的簡化分析方法考慮推進(jìn)器系統(tǒng)的效應(yīng)進(jìn)行頻域系泊動(dòng)力分析。

[1] Det Norske Veritas.DNVGL-OS-E301.Position mooring [S].2015.

[2] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[3] MARINTEK.MIMOSA 6.3 user’s documentation [M].Trondheim：Norwegian Marine Technology Research Institute,2012.

[4] Stansberg C T.Prediction of extreme slow-drift amplitudes [C].OMAE,2000：OMAE-00-6135.

[5] International Organization for Standardization.ISO 9089—1989.Marine structures：mobile offshore units-anchor winches [S].1989.