某型海底動力電纜敷設(shè)船錨泊系統(tǒng)設(shè)計

殷俊俊 劉樂樂 潘方豪 王顥然 張志剛

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2. 浙江省啟明電力集團公司海纜工程公司 舟山316000）

引 言

電纜敷設(shè)船（CLV）主要用于海上風電場海、島嶼間互聯(lián)供電的海底電纜敷設(shè)施工作業(yè)以及海纜檢修作業(yè)。根據(jù)不同海域的作業(yè)條件，目前已經(jīng)建造出具有各類設(shè)備和尺寸齊全的電纜敷設(shè)船。本文以某型非自航方駁型電纜敷設(shè)船（下文簡稱“布纜船”）為目標，設(shè)計出滿足作業(yè)及規(guī)范法規(guī)要求的牽引移船系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)。通常非自航的駁船需要依靠拖船進行拖帶航行。電纜敷設(shè)時，駁船通過拖船和（或）沿電纜路由上放置的錨來拖行前進來進行海底電纜敷設(shè)，如圖1所示。

圖1 典型電纜鋪設(shè)示意圖

常規(guī)布纜作業(yè)移船工況時一般采用單點錨泊系統(tǒng)，利用絞車收纜牽引移船，定位工況時采用4點錨泊定位。然而這種移船和定位方式抵御風浪能力較弱，并且移船和定位工況模式切換慢，無法及時響應(yīng)。本船采用8點錨泊定位和移船系統(tǒng)，移船工況時采用8點錨輪替翻錨移船，定位工況時8點和4點定位均可，能夠適應(yīng)較高海況作業(yè)，迅速實現(xiàn)移船和定位錨泊模式的切換，提高了系統(tǒng)可靠性，可進一步降低布纜時電纜的損壞率。而且錨泊系統(tǒng)作為海上定位和移船系統(tǒng)有著作業(yè)性價比高、可靠性好、節(jié)能環(huán)保，后期更易檢修維護的特點。

1 電纜敷設(shè)船（布纜船）概況

為保證5 000 t海底動力電纜的裝載、轉(zhuǎn)運和海底敷設(shè)作業(yè)，本船采用了方首尾的平底重載平甲板駁船船型。該船的主尺度參見表1，實船外型參見圖2。

表1 電纜船主尺度

圖2 電纜船總布置概貌圖

2 環(huán)境條件

錨泊定位環(huán)境條件分為作業(yè)條件和生存條件。作業(yè)條件是保證起布纜作業(yè)時不超過允許偏移范圍的最大環(huán)境條件。生存條件考慮船舶不作業(yè)時依靠錨泊系統(tǒng)能在海上支持的最大設(shè)計條件，此時允許船舶有較大的偏移。環(huán)境條件一般由用戶提出，通過系統(tǒng)分析，去核定所選的環(huán)境條件是否能達到使用要求。本船主要工作水域位于我國沿海舟山地區(qū)，綜合考慮當?shù)丨h(huán)境條件和造價因素，最后給定如下設(shè)計。因此在錨泊系統(tǒng)設(shè)計時選取如下海況為作業(yè)工況和自存工況。該船設(shè)計為出現(xiàn)臺風時和有纜破損時候停止作業(yè)。作業(yè)工況和自存工況的風浪流條件如下頁表2和表3所示。

表2 作業(yè)工況

3 布錨形式

錨泊系統(tǒng)初步選用8點定位方式，能夠同時滿足輪替移船系統(tǒng)作業(yè)要求。作業(yè)工況布錨方式如圖3所示，自存工況布錨方式如圖4所示，移船過程如下頁圖5所示。錨索為鋼絲繩，具體參數(shù)如下頁表4所示。

表3 自存工況

圖3 作業(yè)工況八點翻錨作業(yè)布錨方式

圖4 自存工況八點錨泊定位布錨方式

圖5 電纜船8點翻錨輪替移船過程示意圖

表4 纜-鏈錨索系統(tǒng)組成及參數(shù)

4 設(shè)計衡準

本船錨泊系統(tǒng)根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范和API-RP-2SK進行設(shè)計。當出現(xiàn)臺風時或者發(fā)生鋼索損壞時，停止作業(yè)并撤離。該錨泊系統(tǒng)分別按照完整作業(yè)工況和完整自存工況進行分析，并對最大張力錨索破斷時的情況進行分析校核，如表5所示。

表5 極限張力和安全系數(shù)

5 錨泊定位系統(tǒng)分析

5.1 錨泊定位系統(tǒng)分析方法

本船錨泊定位分析采用DNV SESAM軟件的HydroD水動力計算模塊和Mimosa錨泊分析模塊進行計算，系泊計算采用頻域準動態(tài)分析方法。

5.1.1 準動態(tài)分析方法

準靜態(tài)分析法中，先靜態(tài)偏移系泊船，再在承載最大錨索的導索點處施加合適的波浪運動，以考慮波浪動力載荷。準靜力分析法中，先靜態(tài)偏移系泊船，再在承載最大錨索的導鎖點處施加合適的波浪運動，以考慮波浪動力載荷。在該法中，忽略了導索點的垂直運動，以及與錨索質(zhì)量、阻尼、流體動力等有關(guān)動力效應(yīng)。準靜力分析法的程序：

（1）確定錨泊系統(tǒng)靜剛度特性。應(yīng)考慮錨索的彈性伸長，特別對淺水中繃的較緊的錨泊系統(tǒng)尤應(yīng)予以考慮。此外，視具體情況，尚應(yīng)計及海流、海底傾斜以及海底與錨索之間摩擦等影響。

（3）確定平均偏移處的錨泊剛度，根據(jù)此錨泊剛度，進行系泊船低頻運動分析，以確定系泊船低頻運動有效及最大單幅值。

（4）確定系泊船波頻運動有效及最大單幅值。

（5）確定船最大偏移和錨索最大張力。

（6）確定錨索最大懸掛長度，對不能承受上拔力的錨設(shè)備，最大懸掛索長應(yīng)小于舷外索長。

（7）確定錨最大載荷，錨承受的最大載荷應(yīng)按式（1）確定：

式中：Tmax為錨索最大張力，kN；W為錨索單位長度水中質(zhì)量，kg；h為水深，m；F為錨索與海底間摩擦力，kN。

5.1.2 船體的平均位置

船體在靜平衡位置，各外力作用下的合力或合力矩為0，如式（2）所示：

5.1.3 船體的波頻運動

船體的波頻運動通過各Airy波對應(yīng)的運動響應(yīng)線性疊加而成。坐標點位于（x，y）處，t時刻的波面高度可表示為式（3）所示：

式中：n為Airy波的個數(shù)；ai，ωi和φi分別為第i個Airy波的波幅、圓頻率和相位；β為入射波浪的傳播方向；ki為波數(shù)。

能量譜密度函數(shù)如式（4）所示：

式中：g為加速度；ωp為譜峰頻率；γ為形狀參數(shù)，β=1.25，σ參數(shù)和α參數(shù)可由式（5）得出：

假設(shè)隨機波浪的形狀參數(shù)為2.05，譜峰周期Tp為14.0 s，有義波高Hs為9.0 m，其能量譜密度曲線如圖6所示。

圖6 波浪譜密度函數(shù)曲線

選擇合理的頻率區(qū)間（ωm，ωM），并將其分成均等的n份，第i個Airy波的幅值ai可表示為式（6）所示：

隨機波浪的時間歷程為：

船體重心位置處，相對平衡位置的波頻運動時歷為：

式中：R*和R**分別為船體運動響應(yīng)的同相位和反相位幅值；βH為入射角度；XG和YG為船體重心處的平衡位置。

5.1.4 船體的低頻運動

船體三個方向上的低頻運動通過式（9）求解：

式中：m為船體質(zhì)量；Iψψ為船體首搖轉(zhuǎn)動慣量；分別為x和y方向的附加質(zhì)量；為首搖方向的附加轉(zhuǎn)動慣量；Bxx、Byy和Bψψ為三個方向的阻尼系數(shù)； xG、yG和ΨG為船體重心位置處的橫蕩運動、縱蕩運動和首搖運動；和船體在三個方向所受的風浪流作用力。

電纜敷設(shè)船重心處總的運動位移時歷由平均位移、低頻位移和波頻位移組合而成。將該運動時歷加至系泊纜頂端，便可計算出系泊纜各處的張力。

5.2 錨泊定位系統(tǒng)分析計算

5.2.1 風載荷計算

風作用在電纜船水上部分的力通常包括三個分量，即縱向力，橫向力和繞垂向軸的首搖力矩。確定風載荷最精確可靠的方法是在風洞中進行模型試驗，但風洞試驗所需時間較長，并且代價較高，對每個目標船型都進行風洞試驗不切實際。在沒有風洞試驗資料的情況下，可根據(jù)API規(guī)范對風載荷的計算一般如下的采用如式（10）所示經(jīng)驗公式：

式中：Fw為風載荷，kN；Cw= 0.615，kNs/m；Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；Vw為設(shè)計風速，m/s。

5.2.2 流載荷計算

電纜船的首尾向和側(cè)向海流力Fcs按式（11）計算。

式中：Ccs為半潛式船體海流力系數(shù)，取515.62 Ns2/ m4；Cd為曳力系數(shù)。圓柱形為0.5；Ac為所有水下圓柱形構(gòu)件投影面積之和，m2；Af為所有水下平面構(gòu)件投影面積之和，m2；Vc為設(shè)計流速，m/s。

5.2.3 水動力計算

通過HydroD水動力分析軟件計算得到一階波浪激勵力、二階平均漂移力、船體運動響應(yīng)RAO和阻尼系數(shù)等。

5.2.4 錨泊定位計算

通過以上輸入條件結(jié)合錨泊系統(tǒng)配置參數(shù)確定錨泊系統(tǒng)剛度特性，針對不同環(huán)境條件得到相應(yīng)的偏移及錨索張力。錨泊系統(tǒng)分析原理圖如圖7所示。

圖7 錨泊系統(tǒng)分析原理圖

5.3 錨泊定位系統(tǒng)組成

本船按8點錨泊系統(tǒng)配置錨設(shè)備。錨泊設(shè)備的組成如下：

錨索8根，為50 mm的鍍鋅鋼絲繩，長約1 500 m，破斷負荷約為1 580 kN。

錨8只，海洋工程大抓力錨STEVPRIS型，每只4 000 kg。

錨絞車8臺，電動變頻驅(qū)動。錨絞車工作拉力為約750 kN（第1層）。

5.4 錨泊定位系統(tǒng)分析結(jié)果

經(jīng)過分析軟件計算，具體分析結(jié)果如下頁表6和表7所示，根據(jù)不同流速對應(yīng)的定位能力參見下頁圖8和圖9。

從上可知，本船能夠在作業(yè)和自存工況下，實現(xiàn)如下能力：

5.4.1 作業(yè)工況（輪替翻錨移船）

（1）在2 kn流速、1.5 m波高，風速13.8 m/s時，可保持全浪向作業(yè)；

（2）在3 kn流速、1.5 m波高，風速13.8 m/s時，可保持有利船首尾±25°浪向作業(yè)；

表6 作業(yè)工況錨泊系統(tǒng)定位能力

圖8 作業(yè)工況定位能力包絡(luò)圖

（3）在4 kn流速、1.5 m波高，風速13.8 m/s時，可保持有利船首尾±5°浪向作業(yè)。

5.4.2 自存工況

（1）在3.5 kn流速、2.0 m波高，風速13.8 m/s時，可保持全浪向定位；

（2）在4 kn流速、2.0 m波高，風速13.8 m/s時，可保持在船首尾±50°浪向下定位；

表7 作業(yè)工況錨泊系統(tǒng)定位能力

圖9 自存工況下定位能力包絡(luò)圖

（3）在5 kn流速、2.0 m波高，風速13.8 m/s時，可保持在船首尾±25°浪向下定位。

因此，本船錨泊系統(tǒng)能夠很好地滿足海纜作業(yè)的要求。

6 錨泊定位系統(tǒng)布置

錨泊定位系統(tǒng)布置見下頁圖10。

圖10 錨泊定位系統(tǒng)布置圖

7 結(jié) 語

通過對電纜敷設(shè)船錨泊系統(tǒng)的設(shè)計得到以下結(jié)論：

（1）在無拖船輔助的情況下，錨泊系統(tǒng)可在一定環(huán)境條件下實現(xiàn)移船作業(yè)；

（2）在移船作業(yè)過程中，前進方向的錨索不斷收回，水中的錨索長度逐漸變短，導致錨索的懸鏈線形式發(fā)生變化，當錨索無躺底段時錨端將會受到一定的上拔力，此時可能出現(xiàn)走錨的情況，所以在設(shè)計時應(yīng)考慮不同水深下的最大可移船距離；

（3）本船的錨泊定位系統(tǒng)計算結(jié)果表明，錨泊系統(tǒng)設(shè)計能有效滿足海底電纜施工船的錨泊和布纜作業(yè)要求。本文提供一個可供參考的系統(tǒng)移船錨泊系統(tǒng)設(shè)計方法，可為起重船鋪管船等船型的錨泊系統(tǒng)設(shè)計提供類似參考。