海上風(fēng)電場運輸甲板駁船系泊方案研究

成海亮，李卓，蘇冠瑜，勞軍

（1.中遠(yuǎn)海運物流供應(yīng)鏈有限公司，北京 100020；2.江蘇金風(fēng)科技有限公司，江蘇 鹽城 224000）

在歐美等一些發(fā)達國家，因為風(fēng)場海況惡劣，風(fēng)電安裝運輸?shù)默F(xiàn)存資源有限，大多數(shù)項目采用兼顧運輸和安裝的自升式風(fēng)電安裝船進行風(fēng)電機組的運輸與安裝；而在國內(nèi)通常都是采用甲板駁船運輸+自升式安裝船的方式來進行海上風(fēng)場的建設(shè)。自升式安裝船在吊裝安裝的過程中所處的海況復(fù)雜，如果甲板船舶運動幅度過大，一旦發(fā)生吊裝事故，危害性是不可估量的，不僅會造成重大的人員傷亡和延誤海上風(fēng)電場投產(chǎn)并網(wǎng)的時間，而且會對海上環(huán)境造成污染，因此，在吊裝安裝的過程中如何使風(fēng)電設(shè)備運輸甲板船在預(yù)設(shè)位置系泊且保持穩(wěn)定，是風(fēng)電機組運輸和吊裝安裝所面臨的重要課題。本文通過對目前海上風(fēng)電場甲板運輸駁船常用的系泊方案研究，對典型的海上系泊方案進行數(shù)值模擬分析，為海上風(fēng)電場運輸甲板船的系泊方案提供一定的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 風(fēng)電設(shè)備運輸甲板船海上系泊方案

在海上風(fēng)電場中常見的運輸甲板駁船定位系泊方式有如下幾種：四錨定位系泊、運輸駁船-船運輸駁系泊及運輸船舶-樁系泊[1]。

1.1 四錨定位系泊方案

運輸甲板駁船四錨定位系泊是用錨、錨纜和纜繩將運輸甲板駁船系留于指定安裝海域，限制環(huán)境外力改變船舶的狀態(tài)，使其保持在預(yù)定位置上的定位系泊方式，以減少運輸甲板船舶過度運動，來滿足風(fēng)電設(shè)備吊卸安裝要求。四錨定位系泊與動力定位相比，其優(yōu)勢在于它所需投資較少、使用維護方便、安全性高等。因此，四錨定位系泊系統(tǒng)在海上風(fēng)電和工程船舶作業(yè)中廣為應(yīng)用。

圖1 運輸駁船的四錨定位系泊布置方案

1.2 船-船定位系泊方案

考慮到風(fēng)場卸貨的相接順暢，施工方設(shè)置大噸位船舶（稱老錨船）的?？吭陲L(fēng)場，用于被運輸甲板駁船搭靠系泊所用，老錨船（被靠駁船）采用四錨定位系泊；運輸甲板船（靠泊船）通過船用纖維纜與老錨船（被靠駁船）系泊，并在船艏和船艉各拋下一只錨，其系泊纜和交叉纜的方案如下圖所示：

圖2 船-船系泊布置方案

1.3 船-樁定位系泊方案

靠船樁可以分為兩大類：①由多根樁組成的剛性靠船樁，在受撞擊過程中變形很小，撞擊能量主要由橡膠護舷吸收；②柔性靠船樁，在受撞擊過程中變形較大，船舶撞擊能量由樁的變形和橡膠護舷共同吸收，在海上風(fēng)電場，船-樁定位系泊通常選擇在風(fēng)機安裝位置靠駁船一側(cè)臨時安裝兩根或四根靠泊樁，運輸駁船側(cè)靠在靠泊樁上，并通過交叉系泊纜連接，如下圖所示。

圖3 船-樁系泊布置方案

2 海上風(fēng)電場系泊系統(tǒng)評價指標(biāo)

海上風(fēng)電甲板運輸駁船系泊系統(tǒng)的評價指標(biāo)主要考慮運輸甲板船舶的運動幅度和系泊系統(tǒng)安全性兩方面，其指標(biāo)主要包括船舶的平動自由度運動量（船舶縱向位移、橫向位移及升沉），船舶的橫搖角及系泊纜的最大張力：

2.1 船舶四個自由度的運動幅度

海上風(fēng)電安裝時，風(fēng)場作業(yè)條件要求比較嚴(yán)苛，其作業(yè)窗口條件主要靠經(jīng)驗積累或相關(guān)數(shù)值仿真計算，受裝卸工藝的限制，運輸甲板船在吊裝前需要完全被系泊系統(tǒng)約束，如運輸甲板船舶發(fā)生較大運動時，可導(dǎo)致無法完成吊裝作業(yè)，在非橫浪工況下船舶作業(yè)允許運動量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[2]。

表1 船舶允許運動幅值標(biāo)準(zhǔn)

2.2 系泊纜的張力

根據(jù)API 2SK 2005 和GL NOBEL DENTON 的系泊指南，風(fēng)電機組設(shè)備在海上過駁吊裝時，運輸甲板駁船為臨時系泊，采用系泊纜繩的張緊力應(yīng)小于其最小破斷力，采用動態(tài)分析方法，其系泊張緊力的安全系數(shù)為1.67。

3 運輸甲板船舶海上系泊系統(tǒng)建模分析

本文以DWT5000 噸運輸甲板運輸船舶的為例，對運輸甲板駁船的三種典型定位系泊方式進行計算分析，運輸甲板駁船及被靠駁船（老錨船）的基本參數(shù)如表2所示：

表2 不同載重噸的甲板駁船基本參數(shù)

3.1 系泊纜的性能參數(shù)

本文分析的海上風(fēng)電運輸甲板船配備無桿錨霍爾錨，錨重為6 噸。

表3 系泊纜的性能參數(shù)

3.2 海況環(huán)境

為了分析運輸甲板駁船的在海上風(fēng)電場常用系泊系統(tǒng)的運動響應(yīng)及安全性，本文以DWT5000 噸甲板駁船為例，模擬計算了常用定位系泊系統(tǒng)在四種海況環(huán)境條件下的運動響應(yīng)幅值，四種海況作業(yè)環(huán)境條件有義波高分別0.5m、1.0m、1.5m 和2.0m，采用JONSWAP 波浪譜進行模擬。

3.3 系泊系統(tǒng)模型建立

利用水動力軟件建立了不同載重噸的甲板駁船水動力模型，艏樓建筑根據(jù)外部尺寸進行簡化處理，建立好的船舶系泊系統(tǒng)水動力模型如圖4、圖5所示。

圖4 船-船系泊水動力模型

圖5 船-樁系泊水動力模型

4 計算結(jié)果分析

因風(fēng)場的浪向較為有規(guī)律，且不許可橫浪工況下作業(yè)，因此在結(jié)果分析中，僅提取分析非橫浪作用下的系泊系統(tǒng)的運動響應(yīng)及受力情況進行分析和研究。

表4 四錨定位系泊下5000 噸駁船的運動幅值和纜索張力

表5 船-船系泊下運輸駁船的運動幅值和纜索張力

表6 船-樁系泊下運輸駁船的運動幅值和纜索張力

5 結(jié)論

（1）在1.5m 的波高以下，四錨定位系可滿足系泊安全性要求，但運輸駁船的運動量較大，為了減低系泊甲板船的運動幅度，提高機組起吊安裝的作業(yè)波高，還需要進一步對系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化。

（2）在1.5 米波高作業(yè)環(huán)境下，下船-船系泊的系泊纖維纜繩，其最大張緊力達到了490ton，相應(yīng)的安全系數(shù)為0.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范的要求。因此選擇雙船系泊作業(yè)時，盡量選擇在風(fēng)浪流條件較為溫和的情況下進行，避免在波高等于或超過1.5 米的情況下進行，以確保海上作業(yè)的安全。

（3）DWT5000 噸甲板駁船依靠有限個系泊樁系泊存在一定的風(fēng)險性，且隨著外部環(huán)境條件的愈加惡劣，纜繩的張緊力增加越大，超出了規(guī)范要求的安全系數(shù)，而在輔助樁與船舷外側(cè)的接觸處亦會發(fā)生較大的碰撞力，引起輔助樁的設(shè)計直徑和強度要求相應(yīng)加大。

通過對DWT5000 噸甲駁船在典型系泊方案下進行船舶運動響應(yīng)分析，從系泊安全性、船舶運動的幅度的約束效果和海上系泊施工便捷性等多方面考量，船-船系泊和船-樁系泊方案，需要設(shè)置較多的系泊纜繩，如在船間舷側(cè)系上交叉和平行纜繩，還在靠泊船的艏艉各拋出一根纜繩，不如四錨系泊方案的簡易便捷，且僅適用于海上風(fēng)浪流環(huán)境條件比較溫和的和臨時停泊的情況（1.0 米波高以下），通過本文的研究，在海上風(fēng)電場推薦使用單船四錨系泊方案。其次，在溫和的水域謹(jǐn)慎使用船-船系泊方案。船-樁系泊方案則不宜推薦。