大型組塊浮托系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

匡 楊 李立濤 秦立成 王 燕 王振興 張博文 李 鵬

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 概述

近幾年來(lái)，海洋工程為保證大型駁船、復(fù)雜海域浮托作業(yè)要求，保證浮托作業(yè)施工安全可靠，在運(yùn)輸駁船甲板增加錨機(jī)系泊系統(tǒng)用于控制運(yùn)輸駁船，使其平穩(wěn)就位[1-4]。目前海工自有運(yùn)輸船舶海洋石油221，海洋石油228，海洋石油229均可外加錨泊系統(tǒng)完成萬(wàn)噸級(jí)大型組塊的浮托作業(yè)。

系泊系統(tǒng)包括150 t錨機(jī)、滑輪導(dǎo)向、錨纜、浮筒及15 t大抓力錨等，同時(shí)設(shè)計(jì)了一套可翻轉(zhuǎn)滑輪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)錨泊系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換，確保了駁船順利就位。

2 浮托系泊錨機(jī)設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備

目前海工根據(jù)浮托海域環(huán)境條件和運(yùn)輸駁船來(lái)設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)，一般分為4點(diǎn)，6點(diǎn)和8點(diǎn)錨系，并配備相應(yīng)的輔助設(shè)備完成浮托作業(yè)。本文以秦皇島32-6CEPI組塊為例，介紹錨系系泊計(jì)算分析。秦皇島32-6CEPI組塊于2014年6月完成海上浮托作業(yè)，該浮托錨系系統(tǒng)采用4點(diǎn)錨系布置與海洋石油228，同時(shí)因水深為21.88 m不需要預(yù)布錨系。

目前海洋工程擁有8臺(tái)150 t系泊錨機(jī)可用于浮托作業(yè)中。該絞車為液壓移船定位錨機(jī)，中間層額定拉力為150 t(卷筒鋼絲繩第4層)，滾筒剎車能力不小于350 t，額定線速度0 m/min～15 m/min，自由放繩速度 200 m/min；滾筒鋼絲繩直徑為76 mm，鋼絲繩最小破斷載荷(MBL)為400 t，滾筒容繩量為1 500 m；絞車配套HPU和控制單元。

水平滾輪配合150 t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350 Te，試驗(yàn)載荷不低于1.1倍MBL，根據(jù)不同位置需求分為90°使用角、130°使用角和150°使用角。翻轉(zhuǎn)式水平滾輪配合150 t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350 Te，試驗(yàn)載荷不低于1.1倍MBL，115°使用角。360°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)纜器配合150 t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350 Te，試驗(yàn)載荷不低于1.1倍MBL。

3 錨系系統(tǒng)計(jì)算分析

3.1 錨系設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GL Noble Denton 0032/ND系泊系統(tǒng)的布置需考慮浮托作業(yè)的限制環(huán)境條件以及運(yùn)輸船總體布置計(jì)劃，并且結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)分析和系泊分析，確定系泊絞車規(guī)格和數(shù)量，并以此進(jìn)行臨時(shí)導(dǎo)纜樁、帶纜樁的選擇與設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程計(jì)算中采用時(shí)域分析法(附加質(zhì)量，阻尼和波浪力)預(yù)測(cè)運(yùn)輸駁船運(yùn)動(dòng)和錨泊纜繩張力，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為3 h，并考慮多種環(huán)境組合；秦皇島32-6CEPI組塊錨泊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：

通常要求拖曳錨的安裝位置誤差應(yīng)控制在50 m以內(nèi)；

錨距離水下結(jié)構(gòu)物的水平距離應(yīng)不小于100 m；另外，若跨越海底管線、電纜等水下結(jié)構(gòu)，錨應(yīng)布置在系泊纜與海底管纜交叉點(diǎn)的300 m水平徑向范圍之外。

錨纜張力完整工況動(dòng)態(tài)安全系數(shù)為1.67(據(jù)表1選擇)。

15 t大抓力錨無(wú)上拔力；若一根錨系損壞，可以承受部分上拔力，但上拔力應(yīng)小于錨的重力；

錨纜與海底管線垂直間隙最小值為5.47 m(25%水深，見表2)。

表2 錨纜與海底管道垂直間隙

3.2 環(huán)境條件

秦皇島32-6CEPI組塊錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮兩個(gè)工況：待命工況和操作工況；計(jì)算過(guò)程中假定風(fēng)和流與波成線性關(guān)系；同時(shí)考慮錨系布置不對(duì)稱性，浪向取0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。詳細(xì)環(huán)境條件見表3。

表3 計(jì)算分析環(huán)境條件

3.3 錨系計(jì)算

Newmark積分法用于錨泊系統(tǒng)時(shí)域分析計(jì)算中，時(shí)間步驟為0.2 s，每次模擬的持續(xù)時(shí)間為3 h。分析中波浪采用JONSWAP譜模擬；風(fēng)采用NPD頻譜模擬1 min平均風(fēng)速，受風(fēng)面包括上部結(jié)構(gòu)和甲板設(shè)備,DSF,滑道和駁船干舷；流被認(rèn)為是在恒定速度。采用拖曳面和莫里森方程計(jì)算相對(duì)流速。對(duì)于待命工況,駁船和船頂被建模為一個(gè)具有6自由度的單剛體,在時(shí)域模擬中,因?yàn)轳g船和船頂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是微不足道的,相互作用載荷并不令人擔(dān)憂。

3.3.1待命工況

表4中列出秦皇島32-6CEPI組塊待命工況和操作工況時(shí)環(huán)境條件，風(fēng)、浪和流為共線性，這樣選取較為保守。表4顯示了待命工況下各錨纜最大張力，其發(fā)生在錨纜SPM_FS(90°浪向，Tp=8.66 s)，最大張力為171.2 t(安全系數(shù)2.24>1.67)(見表5)。

表4 錨纜最大張力(待命工況)

表5 錨纜張力(90°浪向，待命工況) t

通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析研究了在待命工況下錨纜和管線之間的最小垂直間隙，最小垂直間隙發(fā)生在系泊張力最小時(shí)。計(jì)算結(jié)果顯示錨纜SPM_FP的最小張力為9.3 t(90°浪向，Tp=8.66 s)，錨纜SPM_FS的最小張力為 5.6 t(315°浪向，Tp=8.66 s)。錨纜SMP_FP與管線之間的最小垂直間隙分別為13.76 m,15.68 m,14.43 m,15.22 m,12.17 m,13.79 m和16.35 m，錨纜SPM_FS與管線之間的最小垂直間隙為6.40 m,13.33 m和8.50 m，均大于5.47(25%水深)。

通過(guò)MOSES計(jì)算15 t大抓力錨是否有上拔力，計(jì)算結(jié)果顯示錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長(zhǎng)度發(fā)生在SPM_FP和SPM_FS纜繩。表6顯示SPM_FP纜繩最小臥纜長(zhǎng)度為57.2 m，各錨纜無(wú)上拔力。

表6 錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長(zhǎng)度(待命工況)

3.3.2操作工況

表7顯示了操作工況下各錨纜最大張力，其發(fā)生在錨纜SPM_FP(270°浪向)，最大張力為139.9 t(安全系數(shù)2.86>1.67)。

表7 錨纜最大張力(操作工況)

通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析研究了在操作工況下錨纜和管線之間的最小垂直間隙，最小垂直間隙發(fā)生在系泊張力最小時(shí)。計(jì)算結(jié)果顯示錨纜SMP_FP的最小張力為28.3 t(45°浪向)，錨纜SMP_FS的最小張力為27.2 t(315°浪向)。錨纜SMP_FP與管線之間的最小垂直間隙分別為11.32 m,13.37 m,15.58 m和15.56 m，錨纜SPM_FS與管線之間的最小垂直間隙為22.34 m和25.68 m，均大于5.47(25%水深)。

通過(guò)MOSES計(jì)算15 t大抓力錨是否有上拔力，表8顯示SPM_FP纜繩最小臥纜長(zhǎng)度為58.18 m，各錨纜無(wú)上拔力。

表8 錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長(zhǎng)度(操作工況)

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)海洋工程浮托越來(lái)越依賴錨系，安全，可靠，操作簡(jiǎn)便，大大提高了浮托作業(yè)效率。目前浮托作業(yè)根據(jù)施工海域和船舶可設(shè)計(jì)4點(diǎn)錨系，6點(diǎn)錨系和8點(diǎn)錨系進(jìn)行輔助作業(yè)，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用MOSES進(jìn)行錨系分析，用SESAM進(jìn)行時(shí)域分析校核，同時(shí)可利用模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化得出系泊錨纜的長(zhǎng)度、直徑及設(shè)計(jì)角度等結(jié)果。此外，由于浮托現(xiàn)場(chǎng)部分系泊錨纜底部有管線，設(shè)計(jì)中要選取合理位置施加浮筒，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算優(yōu)化浮筒的尺寸和浮筒固定纜繩的長(zhǎng)度，得出最優(yōu)的系泊設(shè)計(jì)方案。