非對稱起重拆解平臺碼頭系泊方案優(yōu)化

王慶豐， 章 瑤， 徐 驍， 祁 斌

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

新型拆解平臺的出現(xiàn)及時滿足了現(xiàn)階段海工行業(yè)的發(fā)展需要。由于目標平臺噸位大、碼頭裝卸載作業(yè)時間長，因此在其暫停碼頭時系泊的安全性就必須引起重視。當平臺受到強風浪流載荷時，平臺的運動響應就會變大，一旦平臺上系泊纜繩所受張力大于其本身的破斷強度，纜繩就會發(fā)生斷裂，進而對平臺和碼頭都會造成極大的損傷[1]。因此，對碼頭系泊能力的研究是保證平臺安全性的重要前提。許多學者也非常注重對碼頭系泊能力的研究。王果等[2]對大型滾裝船碼頭系泊能力進行分析，評估其系泊系統(tǒng)的安全性。嵇春艷等[3]對船舶系泊纜繩進行優(yōu)化，總結碼頭系泊方式的新思路。孫小路等[4]以海工輔助船為研究對象，計算其碼頭帶纜的受力情況，并針對在風浪流作用下系泊船的橫向受力分析得到限制帶纜系泊的關鍵因素。雷林等[5]分析大型游船的系泊系統(tǒng)水動力性能，總結該游船碼頭系泊時的一系列運動規(guī)律，為同類型游船的碼頭系泊提供參考依據(jù)。胡毅等[6]對某大型液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG) 船進行碼頭系泊研究，為該船設定系泊方案并評估其碼頭系泊能力，為碼頭系泊的安全性提供新的研究方法。

本文從非對稱式拆解平臺停留碼頭時的系泊安全性出發(fā)，對不同系泊方式下平臺的系泊能力進行仿真，分析結果后給出針對性的優(yōu)化系泊方案，以達到材料使用成本最小化、系泊能力最大化的目標。

1 理論基礎

在運用三維勢流理論進行計算時，需忽略流體黏性，并假定其是不可壓縮且無旋運動的理想型流體。在AQWA軟件中，系統(tǒng)會計算平臺所受的一階波浪力，而海洋平臺在波浪中所受到的一階波浪力通常包括入射波浪力和繞射波浪力。

入射波浪力FI,j為

(1)

繞射波浪力Fd,j為

(2)

式(1)和式(2)中：ω為規(guī)則波頻率；ρ為海水密度；φI為入射波速度勢；φd為繞射波速度勢；nj為第j個自由度法向，j=1,2,3,…；S為濕表面面積。

AQWA通過數(shù)值求解式(3)計算拆解平臺在規(guī)則波作用下的幅值響應算子(Response Amplitude Operator，RAO)。

Ms(ω)X+Ma(ω)X+C(ω)X+Ks(ω)X=F(ω)

(3)

式中：Ms為結構質量矩陣；Ma為水動力附加質量矩陣；C為系統(tǒng)線性阻尼矩陣；Ks為系統(tǒng)總剛度矩陣；F為系統(tǒng)所受的波浪力(單位波高)；X為RAO。

2 拆解平臺系泊布置分析

2.1 拆解平臺主尺度及碼頭參數(shù)

目標平臺整體結構具有非對稱性，由2個非對稱浮體、4個立柱與1個箱型上層船體組成，且無橫撐。平臺總長Lpp為137.75 m、寬度B為81 m、總深度D為42.8 m、主浮體長為137.75 m、副浮體長為122 m、吃水t為17 m、排水量Δ為54 177 t。該平臺臨時停靠碼頭的長度為500 m、寬度為30 m。

2.2 拆解平臺碼頭系泊纜繩的選取與布置

經(jīng)實地考察并參照碼頭現(xiàn)有981海洋平臺的系泊方式后對非對稱起重拆解平臺初設定10根碼頭系纜繩，其中船首和船尾各3根、中間采用八字形布置4根，編號為1～10號。系纜繩選用錦綸復絲纜繩，直徑為112 mm，斷裂強度為2 060 kN?？紤]到非對稱性及停靠時方向的不確定性，纜繩的具體布置情況如圖1和圖2所示。

圖1 系泊布置1

圖2 系泊布置2

2.3 環(huán)境參數(shù)

平臺臨時?？磕贤ǜ?，因此碼頭系泊時風浪流環(huán)境載荷參數(shù)設定如下：查閱資料可知南通港常風向為東南風，最大風速可達26.3 m/s。漲潮時表面最大流速為0.99 m/s，選取的流向為0°和180°(對系泊方案1來說，0°為船尾迎流、180°為船首迎流，系泊方案2則相反)。采用的風向為0°、90°和270°(90°風向為由海吹向陸地的攏風，270°風向為由陸地吹向海的開風)。浪向的設定選用0°、45°和90°等3個方向。

2.4 碼頭系泊風浪流工況組合

根據(jù)目標平臺臨時停靠的南通港風浪流統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料，確定碼頭系泊能力考核的工況如表1所示。

表1 南通港碼頭系泊能力考核工況匯總

2.5 碼頭系泊張力數(shù)值及結果分析

利用AQWA軟件完成對各設定工況的求解，并從中選取6種典型工況對目標拆解平臺的碼頭系泊能力進行評估。當平臺處于平衡時，得到2種系泊停靠方式、6種不同工況下10根纜繩的最大張力，統(tǒng)計如表2所示。

表2 系泊纜繩張力數(shù)值 kN

續(xù)表2 系泊纜繩張力數(shù)值 kN

根據(jù)表2，對比各數(shù)據(jù)結果，得出如下結論：

(1) 在各風浪流載荷的共同作用下，10根纜繩的最大張力均小于所選用纜繩的最大破斷載荷，這說明此系泊方案能保證2種不同停靠方式下平臺的系泊安全性，這也是碼頭系泊的前提。

(2) 對于不同風浪流載荷的作用，各纜繩的張力大小也隨之產(chǎn)生變化。以系泊方式1為例，對比工況1與工況2可知，在風、浪載荷一定的情況下，流向對于纜繩的張力大小有一定的影響。當流向為0°時，對系泊方式1來說船尾迎流，平臺整體有向前的運動趨勢，這導致1號、2號、3號、4號、6號纜繩成為倒纜，進而纜繩受力也明顯小于其余各纜繩。當流向為180°時，該5根纜繩順流受力，這也使得其受力明顯大于其為倒纜時的受力。工況8與工況14相比，保持了浪、流向的一定，只改變了風向，但由于90°風為攏風，在一定程度上使平臺有貼近碼頭的趨勢，而開風則恰恰相反，這也直接使得在開風狀態(tài)下所有纜繩張力遠大于攏風下的各纜繩張力，由此可見，纜繩張力受風向的影響較大。當風、流載荷不變時，浪向的變化對各纜繩的張力影響不大，在0°浪向下各纜繩張力稍大于其在設定的另外2個浪向下的張力。

(3) 結合2種系泊方式下的張力可知，船中4根較短的纜繩所受張力之和遠大于船首尾處纜繩所受的張力之和，這是由于這幾根纜繩長度最短、會最先承受橫向張力，并且其也是系泊系統(tǒng)中最主要承受橫向張力的纜繩點；對比這4根纜繩的張力發(fā)現(xiàn)：采用八字形方式連接存在纜繩受力不均勻的現(xiàn)象，當纜繩迎流受力時，受力明顯增大，與其相對的倒纜則只承受小部分張力，這也暴露出了一定的問題，那就是當遇到極端天氣時，平臺所處的風浪流載荷也會隨之變強，可能會導致某根纜繩的受力過大而斷裂，進而對碼頭系泊安全性造成一定的威脅。而船首尾處的纜繩受力相對較小，但長度卻較其他纜繩而言更長，因此如何在保證系泊安全性且不改變纜繩材料的情況下，達到材料使用成本最小、纜繩受力最均勻、系泊能力最大需重點關注。

3 系泊方案優(yōu)化

雖然初設定的碼頭系泊方案可滿足目標平臺臨時?？磕贤ǜ鄣陌踩砸?，但仍存在一定的問題。若某根纜繩受力過大，遇到極端天氣時會發(fā)生繩索斷裂；若纜繩的受力過小，則在一定程度上會造成纜繩使用效率過低。限于篇幅，僅針對系泊方案2進行一些優(yōu)化。

3.1 系泊點連接優(yōu)化

由于船首尾處的纜繩受力相對較小而長度過長，在原有系泊方案下使1號纜繩與2號纜繩共用2號纜繩系泊點，9號纜繩與10號纜繩共用9號纜繩系泊點，其他纜繩系泊方式不變，即1號纜繩的長度由原來的91.2 m減小至88.5 m，10號纜繩的長度由原來的89.8 m減小至87.6 m。優(yōu)化方案1具體系泊方式如圖3所示。

圖3 優(yōu)化方案1碼頭系泊示例

在環(huán)境參數(shù)不變的情況下，以工況14為例求解各纜繩在第一次改進后的最大張力，具體如表3所示。

表3 優(yōu)化方案1各纜繩張力 kN

由表3可知，纜繩長度變小可在一定程度上增加纜繩受力。當1號和2號系泊纜繩共用1個系泊點時，1號纜繩將分擔2號纜繩的一部分張力，從而2根纜繩的受力較改進前更為均勻。這也在保證系泊安全性的前提下，有效減少材料的使用成本，提高使用率。

3.2 船中纜繩的連接優(yōu)化

船中幾處較短的纜繩在某工況條件下受力遠大于其余纜繩，雖能滿足給定工況下的系泊安全，但受力分布較不均衡。

為使這幾根纜繩的受力更加均勻化，進行以下改進：將船中4根纜繩由原來的八字形連接改為平行連接，即在優(yōu)化方案1的基礎上，保持各纜繩系泊方式不變，并將4號和6號纜繩的碼頭系泊點向后平移15 m，使其與5號和7號纜繩處于近似平行的位置，具體如圖4所示。

圖4 優(yōu)化方案2碼頭系泊示例

再給其設定相同的環(huán)境載荷，統(tǒng)計各纜繩最大張力如表4所示。

表4 優(yōu)化方案2各纜繩張力 kN

由表4可知第二次優(yōu)化后船中4根纜繩的受力較改進前有明顯變化，張力變得更加均勻，這說明將纜繩平行連接能有效緩解纜繩受力不均的缺點。不論平臺所受到的水流方向是0°還是180°，改變船中纜繩的連接方式使中間4根纜繩變得更為靈活，不會再出現(xiàn)其中2根纜繩因為是倒纜而受力過小的現(xiàn)象，這樣也有效減少了平臺受極端天氣而出現(xiàn)纜繩斷裂的問題。

4 結 語

運用AQWA軟件對非對稱式拆解平臺的碼頭系泊進行仿真數(shù)值研究，得到以下結論：

(1) 對目標平臺臨時?？康拇a頭參數(shù)進行設定，求解出各工況下10根纜繩的最大張力均小于選定材料的破斷載荷力，這說明初設定的碼頭系泊方案能滿足安全系泊的要求；風向、流向對纜繩的張力影響較大，尤其是風向，當風向由陸地向海吹時，各纜繩張力遠大于風向由海向陸地吹時的張力，當平臺有背離碼頭的趨勢時，各纜繩必將承受更大的橫向張力；須尤其注意幾根較短的纜繩是系泊系統(tǒng)中承受橫向張力的最主要纜繩，以防出現(xiàn)所受張力差異過大而導致繩索斷裂的情況，從而對碼頭和平臺造成損壞。

(2) 在首尾纜繩的連接優(yōu)化中，減小纜繩長度，將其系于鄰近的碼頭系泊點，在保證系泊安全性的同時，也在一定程度上縮短材料的使用長度，提高使用效率，并使纜繩受力分布較優(yōu)化前有了一定的分散性。

(3) 對船中纜繩的優(yōu)化連接表明，采用平行式的連接方案能讓纜繩變得更為機動，隨著平臺的運動趨勢能隨時改變其受力方向，有效緩解纜繩受力不均衡的缺點，在材料使用最小的情況下達到系泊能力最大化的目標。