半潛式起重鋪管船出塢拖航阻力分析

孫士龍，徐善輝，劉廣輝，楊 濤，莊宏昌，王程臨

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

0 引 言

半潛式起重鋪管船出塢指的是在船塢內(nèi)浮起后在船塢設(shè)施和拖輪控制下，從船塢中拖至碼頭的全過程。由于不同船廠的船塢條件、位置環(huán)境等因素不同，因此出塢方式也不可能完全相同。由于各廠的條件不同，平臺(tái)在出塢時(shí)必須充分考慮船舶受到的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的影響。要保證平臺(tái)安全出塢，拖航阻力的計(jì)算是需要重點(diǎn)解決的問題。

拖帶船舶在拖航過程中，將受到風(fēng)、流等因素的影響，該力的作用方向與船舶前進(jìn)方向相反，即船舶阻力。對(duì)于一般船舶而言，船舶本身可以提供推力克服摩擦力，而對(duì)于無動(dòng)力船舶而言，需要依靠拖輪提供的推力來克服摩擦力。對(duì)于不同航速、不同種類的船舶，其所需的拖航力是不同的，對(duì)于拖輪而言，在不同航速、不同海況下所能提供的實(shí)時(shí)拖力也是不相同的。一般而言，拖航速度為“0”時(shí)，拖輪可提供的拖力最大，即拖輪的系柱拖力；隨著航速的提高，拖輪可提供的拖力呈線性下降。

本文分析了三種拖航阻力的計(jì)算方法，即基于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法，基于風(fēng)、流動(dòng)力模型的計(jì)算方法，以及基于《海上拖航指南》的計(jì)算方法，并采用這三種方法進(jìn)行計(jì)算分析，以幫助制訂半潛式起重鋪管船出塢的拖航方案。

1 拖輪拖航阻力的計(jì)算方法

1.1 基于經(jīng)驗(yàn)公式的拖航阻力計(jì)算

在拖航過程中，按照拖航阻力的性質(zhì)可以分為基本阻力R0和附加阻力RΔ兩部分，拖航系統(tǒng)的總阻力為拖輪的總阻力與被拖船舶總阻力之和。下面介紹被拖船舶總阻力的計(jì)算方法，拖輪阻力的計(jì)算方法參照被拖船舶阻力的計(jì)算方法。

1.1.1基本阻力

基本阻力R0分為摩擦阻力Rf和剩余阻力RB，其計(jì)算公式如下：

Rf=1.67A1V1.83×10-3，

(1)

RB=0.147δA2V1.74+0.15v，

(2)

式中：A1為船舶浸水面積，m2，根據(jù)船舶吃水可以在船舶資料中可以查到，如無資料可以參照公式A1=0.92L(B+1.81d)計(jì)算，L為船長(zhǎng)，B為船舶型寬，d為船舶吃水；V為拖航速度，kn；δ為船舶方形系數(shù)；A2為水線下最大橫截面積，m2，A2=BdCm，Cm為船中剖面系數(shù)。

1.1.2附加阻力

附加阻力RΔ的計(jì)算公式為

RΔ=Rw+R1+R2+R3,

(3)

式中：Rw為空氣阻力，其計(jì)算公式為

Rw=1.6488A3(Vw+V)2×10-4；

(4)

R1，R2，R3分別為船舶的附體阻力、污底阻力、洶濤阻力，其大小僅占船舶空氣阻力和基本阻力之和的2%～4%。

1.2 基于風(fēng)、流動(dòng)力模型計(jì)算拖航阻力

1.2.1風(fēng)動(dòng)力

風(fēng)動(dòng)力FW計(jì)算公式為

FW=δ×q×A,

(5)

橫向風(fēng)力

FyW=δ×q×Ay;

(6)

縱向風(fēng)力

FxW=δ×q×Ax.

(7)

1.2.2水流力

水流力FC計(jì)算公式為

FC=CdρAV2/2,

(8)

式中：Cd為水阻力系數(shù)[2]；ρ為海水密度；A為受流投射面積，m2；V為計(jì)算水流速度，m/s。

橫向水動(dòng)力

(9)

縱向水動(dòng)力

(10)

1.2.3拖航阻力

橫向風(fēng)流合力按下式計(jì)算[3]：

(11)

縱向風(fēng)流合力按下式計(jì)算：

(12)

在拖帶過程中必須滿足以下條件：

Tx≥∑Fx；Ty≥∑Fy，

(13)

式中：Tx為拖輪拖帶時(shí)提供的橫向總拖力；Ty為拖輪拖帶時(shí)提供的縱向總拖力。

1.3 基于《海上拖航指南》的拖航阻力計(jì)算

1.3.1水流阻力

根據(jù)《海上拖航指南》[1]，海上拖航的總阻力∑R可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

∑R=1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)](kN)，

(14)

式中：Rf為被拖船的摩擦阻力，kN；RB為被拖船的剩余阻力，kN；Rft為拖輪的摩擦阻力，kN；RBt為拖輪的剩余阻力，kN。

被拖船或被拖物的阻力按如下近似方法確定：

Rf=1.67A1V1.83×10-3(kN)，

(15)

RB=0.147δA2V1.74+0.15v(kN),

(16)

式中：A1為船舶或水上建筑物的水下濕表面積，m2；V為拖航速度；A2為浸水部分的船中橫剖面積，m2。

1.3.2風(fēng)阻力計(jì)算

對(duì)于受風(fēng)面積特別龐大的半潛式鉆井平臺(tái)或其他水上建筑，其拖航阻力還應(yīng)按下式計(jì)算[4]，取較大值：

∑R=0.7×(Rf+RB)+Ra,

(17)

式中：Ra為空氣阻力，kN，計(jì)算式為

Ra=0.5×ρ×V2×∑Cs×Ai×10-3,

(18)

式中：ρ為空氣密度，取1.22kg/m3；V為風(fēng)速，取20.6m/s；Ai為受風(fēng)面積，m2，按頂風(fēng)狀態(tài)計(jì)算；Cs為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù)。

2 起重鋪管船出塢阻力及系纜力計(jì)算

根據(jù)前面介紹的三種計(jì)算方法分別針對(duì)某半潛式起重鋪管船出塢阻力進(jìn)行計(jì)算。平臺(tái)的主尺度參數(shù)為：船長(zhǎng)114.07m；船寬78.68m；總高約110m；空船吃水約6.6m；排水量30485t；設(shè)計(jì)吃水7m；浮箱長(zhǎng)114.07m，寬20.12m，高8.54m。方形系數(shù)δ取0.9；受風(fēng)面積取4919.98m2；拖航速度1kn。

2.1 基于經(jīng)驗(yàn)公式的拖航阻力計(jì)算

根據(jù)1.1.1中的公式，算得水下濕表面積

A1=0.92L(B+1.81d)
=0.92×114.07(20.12+1.81×7)
=3441m2;

船中橫剖面積

A2=Bd=20.12×7=141m2

于是可得

Rf=1.67A1V1.83×10-3
=1.67×3441×0.511.83×10-3
=1.68kN，RB=0.147δA2V1.74+0.15v
=0.147×0.9×141×0.511.74+0.15×0.51
=5.49kN.

基本阻力

∑R=Rf+RB=1.68+5.49=7.17kN.

另外，空氣阻力

Rw=1.6488A3(Vw+V)2×10-4
=1.6488×4353.7×(0.51+20.6)2×10-4
=319.89kN.

考慮船舶的附體阻力、污底阻力、洶濤阻力，按船舶空氣阻力和基本阻力之和的4%計(jì)算，于是有

R=R0+RΔ
=7.17+319.89+0.04×(7.17+319.89)
=340.14kN.

2.2 基于風(fēng)、流動(dòng)力模型計(jì)算拖航阻力

根據(jù)風(fēng)、流動(dòng)力模型的阻力計(jì)算公式，平臺(tái)在拖航過程中，主要的拖航形式為吊拖，所以計(jì)算風(fēng)、流均作用于船長(zhǎng)方向的極端情況，算出最大的拖航力。風(fēng)動(dòng)力

水流力

FC=CdρAV2/2
=0.15×1.025×141×0.52/2=2.70kN.

最大的拖力

T=FW+FC=1019.28+2.70=1021.99kN.

2.3 基于《海上拖航指南》拖航阻力計(jì)算

被拖船的摩擦阻力

Rf=1.67A1V1.83×10-3
=1.67×3441×0.511.83×10-3=1.68kN;

被拖船的剩余阻力

RB=0.147δA2V1.74+0.15v
=0.147×0.9×141×0.511.74+0.15×0.51
=5.49kN.

海上拖航的總阻力

∑R=1.15(Rf+RB)
=1.15×(1.68+5.49)=8.24kN.

半潛式起重鋪管船受風(fēng)面積特別龐大，受風(fēng)面積包括上船體、立柱、甲板包、鉆井塔、起重機(jī)等。其拖航阻力還應(yīng)按式(17)計(jì)算。根據(jù)表1所示受風(fēng)面積與開關(guān)系數(shù)，求得空氣阻力

Ra=0.5×ρ×V2×∑Cs×Ai×10-3
=0.5×1.22×20.62×4919.98×10-3
=1274kN.

表1 受風(fēng)面積與形狀系數(shù)Table 1 Wind areas and shape factors

根據(jù)式(17)求得總的拖航阻力

∑R=0.7×(Rf+RB)+Ra
=0.7×8.24+1274
=1279.77kN.

2.3 拖航阻力計(jì)算結(jié)果分析

綜合比較三種不同方法的計(jì)算結(jié)果，基于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算拖航阻力為340.14kN，基于風(fēng)、流動(dòng)力模型計(jì)算拖航阻力為1021.99kN，基于《海上拖航指南》計(jì)算拖航阻力為1279.77kN?？紤]到平臺(tái)拖航的安全因素，選結(jié)果較大的作為最終的拖航阻力，為1279.77kN，約相當(dāng)于132t。

根據(jù)上述結(jié)果計(jì)算最低要求的系柱拖力。拖輪有效輸出拖力等于拖輪系柱拖力的75%，其值應(yīng)大于132t。因此，拖輪馬力應(yīng)大于132/0.75=176t。

3 結(jié) 語

船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)主要受風(fēng)、浪、流等外載荷的作用。同時(shí)，船舶出塢可以避開大風(fēng)浪的惡劣天氣。本文通過分析三種計(jì)算方法，詳細(xì)敘述船舶出塢計(jì)算分析及要點(diǎn)，對(duì)船舶在出塢時(shí)的環(huán)境條件做定量分析，有助于制訂正確、合理的出塢方案，配備合理的出塢設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)半潛式起重鋪管船出塢的經(jīng)濟(jì)、合理和安全。

[1] 中國船級(jí)社.海上拖航指南[S].2011.

China Classification Society.Guidelines for Towage at Sea [S].2011.

[2] 交通運(yùn)輸部.JTS 144-1—2010.港口工程荷載規(guī)范[S].2010.

Ministry of Transport.JTS 144-1—2010.Load code for harbour engineering [S].2010.

[3] 杜慶貴,馮瑋,宴紹枝,等.半潛式鉆井平臺(tái)不同形狀浮箱拖航阻力研究[J].中國海洋平臺(tái),2013,28(2)：39.

Du Qing-gui,Feng Wei,Yan Shao-zhi,et al.The research to the towage resistance of the pontoons with different shapes of a semi-submersible drilling platform [J].China Offshore Platform,2013,28(2)：39.

[4] 李冉.張力腿平臺(tái)出塢助浮關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2016：59-70.

Li Ran.Research on aided floating technology during TLP undocking and towing [D].Dalian：Dalian University of Technology,2016：59-70.