大型非自航絞吸挖泥船錨泊設(shè)備設(shè)計(jì)

黃 超 何炎平 舒建華 陳鳴芳

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240； 4.中交上航局航道建設(shè)有限公司， 上海 200240)

0 引 言

非自航絞吸挖泥船往往需要在作業(yè)工地附近的錨地采用錨泊定位方式抗臺(tái)風(fēng)，在選取錨泊設(shè)備時(shí)不僅需考慮風(fēng)、浪、流載荷的影響，還需充分考慮施工水域的水深、海底泥質(zhì)等因素。對于絞吸挖泥船，設(shè)計(jì)者一般按照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》計(jì)算舾裝數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取錨泊設(shè)備。

眾多學(xué)者采用懸鏈線、彈性纜索或集中質(zhì)量法等方法對單獨(dú)錨鏈動(dòng)力學(xué)進(jìn)行廣泛研究[1-3]。HALLIWELL等[4]采用模型試驗(yàn)研究環(huán)境和系泊系統(tǒng)參數(shù)的變化對系泊響應(yīng)的影響；李曉燕等[5]研究7025型絞吸挖泥船在不同風(fēng)況條件以及風(fēng)、浪、流耦合作用下的水動(dòng)力響應(yīng)，科學(xué)評估挖泥船的系泊系統(tǒng)承載能力；王博等[6]介紹通過計(jì)算舾裝數(shù)設(shè)計(jì)工程船舶的錨泊系統(tǒng)。本文在眾多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，針對某大型絞吸挖泥船的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，采用舾裝數(shù)計(jì)算法和準(zhǔn)靜力分析法分別選取錨泊設(shè)備參數(shù)并進(jìn)行對比，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 舾裝數(shù)計(jì)算方法

CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[7]規(guī)定了海船的錨泊及系泊設(shè)備的配置方法，以舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，選取規(guī)范推薦的錨泊設(shè)備配置，舾裝數(shù)N的計(jì)算公式為

N=Δ2/3+2Bh+A/10(1)

式中：Δ為夏季載重線下的型排水量；B為型寬；h為從夏季載重水線到最上層艙室頂部的有效高度，h=a+∑h1，a為從船中夏季載重水線至上甲板的距離，h1為各層寬度大于B/4的艙室在其中心線處量得的高度對最下層的層高，h1從上甲板中心線量起，或當(dāng)具有不連續(xù)上甲板時(shí)從上甲板最低線及其平行于升高部分甲板的延伸線量起；A為船長L范圍內(nèi)夏季載重水線以上的船體部分和上層建筑以及各層寬度大于B/4的甲板室的側(cè)投影面積的總和。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》指出，舾裝數(shù)計(jì)算公式基于2.5 m/s的水流速度，25 m/s的風(fēng)速(大約為10級風(fēng)速)，出鏈長度與水深比為6～10。在更高的風(fēng)力等級下，作用在錨泊設(shè)備上的載荷將由于形成高能量載荷而增大，并導(dǎo)致其部件的損壞或丟失[7]。

1.2 準(zhǔn)靜力分析法

參照《海洋平臺(tái)入級規(guī)范》[8]對海洋平臺(tái)系泊索的分析方法，對絞吸挖泥船系泊系統(tǒng)的整體分析也可采用用于海洋平臺(tái)錨泊系統(tǒng)分析的準(zhǔn)靜力分析法，先靜態(tài)偏移絞吸挖泥船，再在系泊纜的導(dǎo)纜孔處施加合適的波浪運(yùn)動(dòng)以考慮波浪動(dòng)力載荷。在這種方法中，導(dǎo)纜孔的垂直運(yùn)動(dòng)以及與系泊索質(zhì)量、阻尼、流體動(dòng)力等有關(guān)的動(dòng)力效應(yīng)可以忽略。

準(zhǔn)靜力分析法的一般流程：按照公認(rèn)的理論或者數(shù)值分析方法確定系泊系統(tǒng)的靜剛度特性；將風(fēng)力、流力作為靜力考慮，根據(jù)系泊系統(tǒng)的靜剛度特性確定絞吸挖泥船的平均偏移；計(jì)算平均偏移處的系泊剛度，確定絞吸挖泥船的波頻運(yùn)動(dòng)，再確定絞吸挖泥船的最大偏移和系泊索的最大張力。

《海洋平臺(tái)入級規(guī)范》給出了風(fēng)力和流力估算方法。

通常只考慮作用在絞吸挖泥船上的定常風(fēng)力，則風(fēng)載荷可按下式估算：

(2)

式中：FW為所受風(fēng)力；Ch為高度因數(shù)；Cs為形狀因數(shù)；S為船體受風(fēng)的正投影面積；VW為風(fēng)速。

海流載荷是隨機(jī)的，為便于計(jì)算，通常按照定常力考慮。對于船體形狀為箱型的絞吸挖泥船，作用于船體上的流載荷可采用下式計(jì)算：

(3)

式中：FC為所受流載荷；CD為拖曳力因數(shù)，可取1.2；ρw為海水密度，取1.025 t/m3；VC為海流速度；A為吃水與船寬的乘積。

2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 絞吸挖泥船概況及面元模型

某大型絞吸挖泥船適用于沿海港口和碼頭開挖、航道疏浚等工程，最大挖深可達(dá)30 m。船體的總布置如圖1所示，主尺度如表1所示。

圖1 絞吸挖泥船總布置圖

總長/m船體長度/m船寬/m型深/m吃水/m水深/m設(shè)計(jì)排水量/ t重心高度/ m104.882.618.25.23.7104 723.52.5

為簡化建模和提高計(jì)算效率，僅構(gòu)建水線面以下部分船體水動(dòng)力模型用于計(jì)算水動(dòng)力因數(shù)，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。網(wǎng)格以四邊形網(wǎng)格為主，網(wǎng)格數(shù)量為1 218個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 342個(gè)。

圖2 船體水線以下水動(dòng)力模型

2.2 錨泊形式

非自航絞吸挖泥船大多采用單鏈系泊的定位方式，可按“無人駁船”配置錨泊設(shè)備，即艏錨可僅配1只，錨鏈長度為9節(jié)，錨鏈布置如圖3所示。

圖3 錨鏈布置

2.3 作業(yè)工況

在進(jìn)行錨泊設(shè)計(jì)前，須確定絞吸挖泥船作業(yè)時(shí)的環(huán)境條件。絞吸挖泥船防臺(tái)風(fēng)水域水深為10 m，絞吸挖泥船的作業(yè)水域?yàn)?zāi)害性天氣主要為臺(tái)風(fēng)天氣，每年7 月～10 月常受臺(tái)風(fēng)影響。其中，以2016年14號“莫蘭蒂”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對該區(qū)域的影響最為嚴(yán)重，最大風(fēng)力超過15級。

根據(jù)《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》對船舶完整穩(wěn)性的規(guī)定，結(jié)合風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系，以距離海平面7 m高處的風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)，針對遠(yuǎn)海航區(qū)船舶設(shè)定的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)可以轉(zhuǎn)化為14級風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。由此選取3種絞吸挖泥船在防臺(tái)風(fēng)時(shí)遭遇的代表性風(fēng)、浪、流條件，如表2所示。

表2 不同工況下系泊狀態(tài)的環(huán)境條件

3 錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

3.1 舾裝數(shù)計(jì)算法結(jié)果

考慮到錨鏈的布置和船型特性對受風(fēng)面積的影響，在縱向上計(jì)算船體的舾裝數(shù)，最終舾裝數(shù)計(jì)算值為836個(gè)?！朵撡|(zhì)海船入級規(guī)范》對錨泊配置的要求如表3所示，并據(jù)此選取合適的錨泊配置。

表3 錨泊配置要求

非自航絞吸挖泥船幾乎均配置1只艏錨，由于采用船尾方向拖航，該艏錨布置在船尾，錨鏈可按規(guī)范長度的一半配備。在滿足規(guī)范的最低要求上予以增強(qiáng)錨及錨鏈，故尾部配1只3 540 kg短桿霍爾錨，并配247.5 m長的AM2Φ56 mm電焊有檔錨鏈。

由于3 540 kg短桿霍爾錨在黏土中所能提供的錨抓力為173.64 kN，在石礫中最多能提供208.36 kN的錨抓力[11]，工況1所需的錨抓力為201.2 kN，故按照舾裝數(shù)選取的錨泊配置最多只能抵抗該海域10級臺(tái)風(fēng)。

3.2 準(zhǔn)靜力分析法結(jié)果

波浪入射角為0°，船體幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator, RAO)計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，垂蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)RAO隨波浪頻率的增大呈逐漸減小的趨勢。

圖4 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO 圖5 縱蕩運(yùn)動(dòng)RAO

由式(2)和式(3)得作用于絞吸挖泥船的風(fēng)載荷和流載荷結(jié)果，如表4所示。

表4 不同工況下絞吸挖泥船所受風(fēng)流載荷

為保證絞吸挖泥船不發(fā)生走錨的現(xiàn)象，臥底錨鏈的摩擦力與錨抓力的合力需大于船體所受風(fēng)流合力，絞吸挖泥船錨泊能力結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 錨泊能力需求

MIMOSA是SESAM軟件下的一個(gè)模塊，主要功能是進(jìn)行帶有錨泊系統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)物的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析[12]，其可以采用準(zhǔn)靜力分析法計(jì)算絞吸挖泥船系泊索的最大張力。將船體運(yùn)動(dòng)RAO等文件導(dǎo)入MIMOSA，得到錨鏈最大波頻張力，其與風(fēng)流合力的組合構(gòu)成了錨鏈最大張力。不同工況下絞吸挖泥船錨鏈的最大波頻張力和最大張力如表6所示。

表6 不同工況下錨鏈最大波頻張力和最大張力

3.3 錨泊系統(tǒng)配置分析

當(dāng)臺(tái)風(fēng)來臨時(shí)，絞吸挖泥船需在作業(yè)水域附近的安全錨地防臺(tái)風(fēng)。通過準(zhǔn)靜力分析法得到在工況2下絞吸挖泥船所需的錨抓力為897.76 kN，而3 540 kg短桿霍爾錨在黏土中所能提供的錨抓力遠(yuǎn)不能滿足工況2的需求。另一個(gè)值得注意的問題是錨鏈強(qiáng)度，在工況3下，錨鏈最大張力達(dá)到了1 698 kN，而AM2Φ56 mm電焊有檔錨鏈的破斷負(fù)荷為1 710 kN，無法保證絞吸挖泥船的錨泊安全。

通過舾裝數(shù)選取的錨泊配置可能在10級以上的臺(tái)風(fēng)環(huán)境條件下發(fā)生走錨、錨鏈強(qiáng)度不足等情況，為絞吸挖泥船的安全埋下極大隱患。為保障絞吸挖泥船在更高級別臺(tái)風(fēng)天氣下的安全，需要提高錨和錨鏈的等級，在不更換錨機(jī)等設(shè)備的條件下，將尾部所配3 540 kg短桿霍爾錨更換為質(zhì)量更大的錨，如5 t的Flipper Delta錨，其抓力性能與Stevin M3錨的性能類似，在中等黏土中約產(chǎn)生981 kN的抓力[11]，能夠滿足絞吸挖泥船在14級臺(tái)風(fēng)下所需的錨抓力。

在工況2下，錨鏈最大張力已經(jīng)達(dá)到了AM2Φ56 mm電焊有檔錨鏈破斷載荷臨界值，也必須將其更換為等級更高的錨鏈，如AM3等級破斷載荷為2 430 kN、直徑56 mm的錨鏈。更換后的錨鏈及錨可以滿足該海域14級臺(tái)風(fēng)下的抗臺(tái)需求。

4 結(jié) 論

(1) 絞吸挖泥船錨泊系統(tǒng)的選取大多采用《鋼制海船入級規(guī)范》中計(jì)算舾裝數(shù)的方法。對比準(zhǔn)靜力分析法和舾裝數(shù)計(jì)算法的結(jié)果可知，采用舾裝數(shù)選取的錨泊配置抗臺(tái)風(fēng)能力有限，僅可滿足10級臺(tái)風(fēng)下的抗臺(tái)風(fēng)需求。在更高風(fēng)級的情況下，需要更高等級的錨泊配置以保障絞吸挖泥船的安全。

(2) 通過舾裝數(shù)選取的錨泊配置一般適用于10級臺(tái)風(fēng)下的絞吸挖泥船的錨泊定位，不能滿足10級以上臺(tái)風(fēng)下的抗臺(tái)需求，故需根據(jù)準(zhǔn)靜力分析法得到的錨鏈最大張力和錨抓力選取錨泊設(shè)備。

(3) 按照5 t Flipper Delta錨在非常軟的黏土中大約產(chǎn)生686.7 kN的抓力，在中等黏土中約產(chǎn)生981 kN的抓力，準(zhǔn)靜力分析法選取的錨鏈和錨可滿足14級臺(tái)風(fēng)下的抗臺(tái)需求。當(dāng)臺(tái)風(fēng)等級為15級以上或者更高時(shí)，可能會(huì)發(fā)生單個(gè)錨所提供錨抓力不足的現(xiàn)象，可采用增加串聯(lián)錨的方法以增加錨抓力，提高絞吸挖泥船抗臺(tái)能力。