自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)舾裝數(shù)計(jì)算探討

程世明 劉璧鉞

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

中國(guó)海上風(fēng)電技術(shù)飛速發(fā)展，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮螅壳把睾５貐^(qū)正大力開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電項(xiàng)目。海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)投資規(guī)模巨大，為提高風(fēng)場(chǎng)總發(fā)電量，降低海上風(fēng)電成本，大型風(fēng)機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用日益廣泛。我國(guó)海上風(fēng)電安裝施工能力在不斷地提升，其中風(fēng)電安裝平臺(tái)的發(fā)展是推動(dòng)海上作業(yè)能力不斷加強(qiáng)的核心動(dòng)力之一。[1]

自升式安裝平臺(tái)是目前使用最廣泛的風(fēng)電安裝平臺(tái)。根據(jù)船級(jí)社入級(jí)規(guī)范，自航式安裝平臺(tái)均需配置2套臨時(shí)錨泊設(shè)備。在設(shè)計(jì)船舶和平臺(tái)時(shí)，通常根據(jù)計(jì)算所得的舾裝數(shù)直接選取臨時(shí)錨設(shè)備，包括錨鏈和艏錨參數(shù)。對(duì)于常規(guī)鋼質(zhì)海船，一般以《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2023》中的舾裝數(shù)計(jì)算公式為基礎(chǔ)開(kāi)展臨時(shí)錨設(shè)備的設(shè)計(jì)[2]， 各船級(jí)社對(duì)于舾裝數(shù)的計(jì)算要求一致且均來(lái)自于IACS UR A1標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于海上移動(dòng)平臺(tái)，各船級(jí)社的舾裝數(shù)計(jì)算公式不盡相同且計(jì)算結(jié)果相差較大。相關(guān)主管部門要求臨時(shí)錨設(shè)備需要具有足夠的安全系數(shù)，尤其在發(fā)生走錨、錨鏈斷裂等嚴(yán)重事故后，臨時(shí)錨設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受到了業(yè)界和主管部門的高度重視[3]。隨著大型風(fēng)機(jī)的不斷發(fā)展，風(fēng)電安裝平臺(tái)的尺度越來(lái)越大，計(jì)算出的舾裝數(shù)也越來(lái)越大，從而導(dǎo)致選取的臨時(shí)錨設(shè)備尺寸非常大且重。一方面，臨時(shí)錨設(shè)備過(guò)大且過(guò)重，會(huì)導(dǎo)致船上布置困難，并影響船體結(jié)構(gòu)；另一方面，太重的臨時(shí)錨設(shè)備會(huì)影響自升式安裝平臺(tái)的升降性能，降低其作業(yè)能力。

綜上所述，在設(shè)計(jì)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的臨時(shí)錨設(shè)備時(shí)，需要同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性：既不能為了降低成本而犧牲安全性，選擇過(guò)小的舾裝數(shù)計(jì)算方法；也不能為了追求安全性而人為增大舾裝數(shù)，影響船舶性能。

目前，鮮有學(xué)者深入研究各船級(jí)社頒布的自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的舾裝數(shù)計(jì)算方法，因此有必要通過(guò)對(duì)比研究各船級(jí)社的舾裝數(shù)計(jì)算結(jié)果，分析出合理的臨時(shí)錨設(shè)備配置。本文以中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（后文簡(jiǎn)稱“本院”）設(shè)計(jì)的1 500 t自升自航式風(fēng)電安裝平臺(tái)為例，探討合理的舾裝數(shù)計(jì)算方法。首先按照中國(guó)船級(jí)社（CCS）、美國(guó)船級(jí)社（ABS）和挪威船級(jí)社（DNV）這三大船級(jí)社的方法分別計(jì)算舾裝數(shù)，依據(jù)計(jì)算結(jié)果選取臨時(shí)錨設(shè)備參數(shù)并進(jìn)行比較，分析CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范2023》中的舾裝數(shù)計(jì)算公式是否合理；然后通過(guò)直接計(jì)算法計(jì)算出該船受到的環(huán)境載荷，根據(jù)選定的錨鏈直徑算出其破斷負(fù)荷，將環(huán)境載荷與錨鏈破斷負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比,分析建議在計(jì)算受風(fēng)面積時(shí)怎樣合理地選取構(gòu)件形狀系數(shù)，提出更為合理的舾裝數(shù)計(jì)算方法，為后續(xù)的自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的臨時(shí)錨設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考。

1 本船概述

1.1 船舶主尺度和外形圖

本文研究的1 500 t自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主要由船體、桁架式樁腿、齒輪齒條式升降系統(tǒng)等組成，采用流線型艏部、方型艉部，全焊接鋼質(zhì)船體。其具有一層連續(xù)甲板，艏部設(shè)生活樓，中部為通暢作業(yè)甲板，艉部右舷設(shè)1 500 t繞樁式全回轉(zhuǎn)起重機(jī)。該1 500 t自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主尺度參數(shù)見(jiàn)表1，外形如圖1所示。

圖1 1 500 t自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)側(cè)視圖

表1 1 500 t風(fēng)電安裝平臺(tái)主尺度參數(shù)

下文將分別按照三大船級(jí)社（CCS、ABS、DNV）海上移動(dòng)平臺(tái)的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行舾裝數(shù)計(jì)算。

2 按三大船級(jí)社相關(guān)規(guī)定計(jì)算舾裝數(shù)

2.1 按CCS規(guī)范計(jì)算

按CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范2023》，舾裝數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

式中：N為舾裝數(shù)，個(gè)；Δ為平臺(tái)遷移吃水時(shí)型排水量，t；A1為錨泊時(shí)所有受風(fēng)表面在與風(fēng)向垂直平面內(nèi)的投影面積，m2；A2為錨泊時(shí)所有受風(fēng)表面在與風(fēng)向平行平面內(nèi)的投影面積，m2。

A1、A2的計(jì)算中一般不考慮結(jié)構(gòu)間的遮蔽效應(yīng)，然而根據(jù)具體情況，下風(fēng)向構(gòu)件的投影面積可予以適當(dāng)折減。對(duì)于圓柱形構(gòu)件可按其投影面積的50%計(jì)算，貨物的迎風(fēng)面積可忽略不計(jì)。[4]

2.2 按ABS規(guī)范計(jì)算

按ABS《Rules for Building and Classing Mobile Offshore Units 2023》，舾裝數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

式中：k=1.0，m=2，n=0.1；h為平臺(tái)船體或旁通的數(shù)量；Δ為平臺(tái)遷移吃水時(shí)型排水量，t；∑qCsChAf為平臺(tái)航行吃水時(shí)艏向總受風(fēng)面積，m2；q=1.0，對(duì)于船體、上層建筑和甲板室；q=0.3，對(duì)于其他受風(fēng)面積；Cs為形狀系數(shù)，如表2所示；Ch為高度系數(shù)，如表3所示；∑qCsChAp為平臺(tái)航行吃水時(shí)側(cè)向總受風(fēng)面積，m2；Af為暴露在風(fēng)中的每個(gè)主要構(gòu)件的正投影面積，Ap為暴露在風(fēng)中的每個(gè)主要元件的側(cè)投影面積，單位均為m2，包括立柱、上部結(jié)構(gòu)、甲板構(gòu)件、上部結(jié)構(gòu)和甲板室、桁架、大型起重機(jī)、井架下部結(jié)構(gòu)和鉆井井架，以及運(yùn)輸水線以上的船體部分，按照不同平臺(tái)類型適用，可考慮采用可接受的方法進(jìn)行防風(fēng)。[5]

表2 風(fēng)力形狀系數(shù)

表3 風(fēng)力高度系數(shù)

在計(jì)算受風(fēng)面積時(shí)，ABS的規(guī)定較為細(xì)致，除了上述形狀系數(shù)，還應(yīng)考慮以下條件：

（1）任何寬度不超過(guò)0.25B（其中B為該平臺(tái)型寬）的上層建筑或甲板室可被排除在外，前提是其投影面積小于該平臺(tái)總投影面積的1/100。

（2） 高度超過(guò)1.5 m的擋板和舷墻應(yīng)包括在內(nèi)。

（3）對(duì)于帶立柱的平臺(tái)，應(yīng)包括所有立柱的投影面積（即不考慮遮蔽）；然而對(duì)于圓柱的表面，可以使用0.5的形狀系數(shù)。

（4）通常用于井架塔架、吊桿和某些類型桅桿的開(kāi)放式桁架，可通過(guò)取前后兩側(cè)滿實(shí)投影面積的30%來(lái)近似（即對(duì)于雙面桁架結(jié)構(gòu)，一側(cè)滿實(shí)投影面積的60%），形狀系數(shù)應(yīng)按照表2選取。

2.3 按DNV規(guī)范計(jì)算

按《DNV-OS-E301-2023》，舾裝數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（3）：

式中：Δ為平臺(tái)遷移吃水時(shí)型排水量，t；A為在正浮狀態(tài)下，平臺(tái)輕載航行吃水上方所有暴露表面的投影面積，m2。在考慮錨泊系統(tǒng)的布置時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)最不利的受風(fēng)方向。[6]

斜向受風(fēng)面積可通過(guò)式（4）來(lái)計(jì)算[7]：

式中：φ為風(fēng)的方向相對(duì)于船首方向的角度，°；A1和A2的定義同式（1）。

本平臺(tái)斜向受風(fēng)面積計(jì)算過(guò)程如下頁(yè)表4所示。

表4 本平臺(tái)斜向受風(fēng)面積計(jì)算過(guò)程

從表4結(jié)果可知，斜向45°時(shí)的受風(fēng)面積最大。通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程，雖然DNV公式僅有2項(xiàng)，其中第2項(xiàng)為受風(fēng)面積，由于采用了相對(duì)最不利的受風(fēng)方向，使用式（4）計(jì)算斜向受風(fēng)面積，因此第2項(xiàng)可以分解為首向受風(fēng)面積和側(cè)向受風(fēng)面積之和，兩者系數(shù)均為0.67。

上述正投影和側(cè)投影面積的系數(shù)取決于A1和A2的比例大小，通過(guò)分析式（4）和表4中的最不利風(fēng)向計(jì)算過(guò)程，當(dāng)1＜A2/A1＜1.42時(shí)，45°為最不利風(fēng)向；當(dāng)1.42＜A2/A1＜3時(shí)，60°為最不利風(fēng)向；當(dāng)3＜A2/A1＜4.33時(shí)，75°為最不利風(fēng)向。

由于自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的船長(zhǎng)也顯著大于船寬，主、輔起重機(jī)在航行時(shí)沿船長(zhǎng)方向擱置，因此其側(cè)投影面積通常大于正投影面積，即A2/A1＞1；又由于甲板上各構(gòu)件均計(jì)算正投影面積和側(cè)投影面積，且一般不考慮遮蔽效應(yīng)，這也決定了其側(cè)投影面積與正投影面積的比值不會(huì)太大，通常在1.00 ～1.42。本文統(tǒng)計(jì)了本院設(shè)計(jì)的其他船型相似但尺度不同的自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主尺度及A1和A2的大小值，結(jié)果如表5所示。

表5 多艘自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主尺度及A1和A2值

根據(jù)表5的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，目前多數(shù)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的A2/A1比值在1.00 ～ 1.42，因此其最不利風(fēng)向?yàn)?5°，即舾裝數(shù)計(jì)算時(shí)，正投影和側(cè)投影的系數(shù)均為0.67。

2.4 三大船級(jí)社計(jì)算結(jié)果和對(duì)比分析

本平臺(tái)正向投影面積為3 060 m2，側(cè)向投影面積為4 001 m2。依據(jù)CCS、ABS和DNV規(guī)范計(jì)算的本平臺(tái)舾裝數(shù)和臨時(shí)錨設(shè)備規(guī)格如表6所示。

表6 本平臺(tái)舾裝數(shù)和臨時(shí)錨設(shè)備規(guī)格對(duì)比表

CCS規(guī)范計(jì)算得出的舾裝數(shù)最大，配置的臨時(shí)錨設(shè)備規(guī)格也最大；ABS的計(jì)算結(jié)果最?。籇NV的計(jì)算結(jié)果則介于二者之間，且DNV結(jié)果與ABS結(jié)果接近。從表6可以看出，CCS舾裝數(shù)公式計(jì)算結(jié)果顯著大于ABS和DNV舾裝數(shù)公式計(jì)算結(jié)果。

船級(jí)社在對(duì)自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)進(jìn)行入級(jí)審圖時(shí)，均參照各自的海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范。雖然CCS、ABS和DNV三大船級(jí)社給出的舾裝數(shù)計(jì)算公式形式差異很大，但是三者均依據(jù)排水量和受風(fēng)面積這2個(gè)變量，其中受風(fēng)面積分為首向受風(fēng)面積和側(cè)向受風(fēng)面積。由于船舶在使用1只艏錨時(shí)存在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，平衡狀態(tài)下船舶首向與風(fēng)向成1條直線、方向相反，因此船舶受到的風(fēng)力主要為首向力。通過(guò)仔細(xì)觀察能夠發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單船體的自升式平臺(tái)，3個(gè)公式中的第1項(xiàng)完全相同，均為Δ2/3。CCS公式的第2項(xiàng)為正投影面積乘以系數(shù)2，ABS為正投影面積乘以系數(shù)2∑qCsCh，DNV為正投影面積乘以系數(shù)0.67（對(duì)于本文相似自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)）；CCS公式的第3項(xiàng)為側(cè)投影面積乘以系數(shù)0.1，ABS為側(cè)投影面積乘以系數(shù)0.1∑qCsCh，DNV為側(cè)投影面積乘以系數(shù)0.67。

3 直接計(jì)算法校核臨時(shí)錨設(shè)備安全系數(shù)

本節(jié)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算平臺(tái)在規(guī)范建議的環(huán)境條件下所受的風(fēng)、浪載荷，然后將本平臺(tái)所受環(huán)境力與錨鏈的破斷負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比可以近似得出錨鏈的安全系數(shù)。

3.1 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)的特征由風(fēng)向和風(fēng)速表示。風(fēng)作用在船舶水上部分的力通常包括3個(gè)分量，即縱向力、橫向力和繞垂向軸的首搖力矩。確定風(fēng)載荷最精確可靠的方法是在風(fēng)洞中進(jìn)行模型試驗(yàn)，在沒(méi)有風(fēng)洞試驗(yàn)資料的情況下，對(duì)首向和側(cè)向風(fēng)載荷的計(jì)算一般采用如下經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

式中：Cs為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件形狀由表2選??；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件高度由表3選?。籗為受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；P為風(fēng)壓，kPa；Vw為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

斜向的風(fēng)力Fφ可通過(guò)分別計(jì)算首向和側(cè)向風(fēng)力，然后按下式合成：

式中：Fφ為斜向風(fēng)力 ，N；Fx為首向風(fēng)力，N；Fy為側(cè)向風(fēng)力，N；φ為風(fēng)的方向相對(duì)于船首方向的角度，°。

3.2 流載荷計(jì)算

海洋中的流主要包括海流和潮流等。相對(duì)于波浪水質(zhì)點(diǎn)在短時(shí)范圍內(nèi)不斷重復(fù)其周期性變化，海流和潮流的速度隨時(shí)間緩慢變化。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在實(shí)際工程中常將海流和潮流視為穩(wěn)定流動(dòng)，對(duì)平臺(tái)的作用力僅是拖曳力。流載荷根據(jù)船體水下部分的形狀和面積，自升自航式風(fēng)電安裝平臺(tái)的流載荷計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[7]如下：

式中：Fcx為首向海流力，N；Ccx為首向海流力系數(shù)，為2.89 N2/m4；S為平臺(tái)包括附屬體在內(nèi)的濕表面積，m2；Vc為設(shè)計(jì)流速，m/s。

3.3 船舶合力計(jì)算結(jié)果

IACS UR A1標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)明根據(jù)舾裝數(shù)確定的臨時(shí)錨設(shè)備是針對(duì)因等待靠泊、潮水等而暫時(shí)拋錨于港口或遮蔽海域的船舶，并不適用于在風(fēng)暴天氣下使船舶與毫無(wú)遮蔽的海岸保持距離，或使移動(dòng)或漂動(dòng)中的船舶停下。舾裝數(shù)計(jì)算公式基于假定的2.5 m/s最大水流速度以及25 m/s最大風(fēng)速。對(duì)于船長(zhǎng)135 m以上的船舶，所要求的臨時(shí)錨設(shè)備可認(rèn)為適用于1.54 m/s最大水流速度、11 m/s最大風(fēng)速為、2 m最大有義波高的環(huán)境。[9]

本船水線間長(zhǎng)為136 m，雖然船長(zhǎng)大于135 m，但是接近135 m分界線。從安全的角度出發(fā)，本文仍然計(jì)算最大水流速度為2.5 m/s、最大風(fēng)速為25 m/s環(huán)境條件下的受力。

通常1艘船舶只使用1只艏錨，船舶圍繞臨時(shí)錨可以隨風(fēng)浪流作360°回轉(zhuǎn)。在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的作用下，錨泊船舶將會(huì)停泊在環(huán)境力最小的方向上，因此需要計(jì)算艏向（0°）時(shí)的環(huán)境力，且風(fēng)力和流力同向時(shí)船舶受到的環(huán)境力最大。

經(jīng)計(jì)算，風(fēng)載荷為1 471 kN，流載荷為154 kN，合力為1 625 kN。在船舶合力已經(jīng)確定的情況下，錨鏈張力的結(jié)果已基本確定。因此本文按照2.4節(jié)選定的錨鏈直徑計(jì)算出各自的破斷負(fù)荷，然后將其與本平臺(tái)所受環(huán)境力對(duì)比，便可以近似得出錨鏈的安全系數(shù)，結(jié)果如表7所示。

表7 錨鏈安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表7可以看出，CCS、ABS和DNV規(guī)范選取的錨鏈安全系數(shù)都大于3，其中CCS的安全系數(shù)為5.7，遠(yuǎn)高于ABS和DNV規(guī)范要求，說(shuō)明采用CCS規(guī)范計(jì)算舾裝數(shù)時(shí)，存在較大的優(yōu)化空間。

4 結(jié)論與建議

ABS規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了不同構(gòu)件的形狀系數(shù)和高度系數(shù)，而CCS和DNV均沒(méi)有這樣規(guī)定，只提出“設(shè)計(jì)者可以適當(dāng)考慮形狀系數(shù)”的原則性建議。本文對(duì)比分析了CCS、ABS和DNV這3個(gè)舾裝數(shù)計(jì)算公式的異同。通過(guò)以上分析可知，受風(fēng)面積變量前面的不同系數(shù)是導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不一致的主要原因。自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的特點(diǎn)為高聳的樁腿和巨大的起重機(jī)，其受風(fēng)面積大，因此不同的公式計(jì)算結(jié)果相差很大。

本文采用CCS、ABS和DNV公式計(jì)算了1 500 t自升自航式風(fēng)電安裝平臺(tái)舾裝數(shù)并配置臨時(shí)錨，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了相應(yīng)環(huán)境條件下的載荷，然后將錨鏈破斷負(fù)荷與平臺(tái)所受環(huán)境力比較得到近似的安全系數(shù)。三大船級(jí)社要求的臨時(shí)錨設(shè)備均滿足使用要求，而CCS的配置規(guī)格余量過(guò)大，因此本文提出更為合理的舾裝數(shù)計(jì)算方法：

（1）舾裝數(shù)計(jì)算公式形式與CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中的規(guī)定相同，仍然是以排水量、正向投影面積和側(cè)向投影面積作為變量，修改第2項(xiàng)正投影面積的系數(shù)為1.5，第1項(xiàng)排水量和第3項(xiàng)側(cè)投影面積的系數(shù)保持不變。

（2）在計(jì)算投影面積時(shí)，可以適當(dāng)選取較小的構(gòu)件形狀系數(shù)：桁架式樁腿的形狀系數(shù)取0.3，圓柱形樁腿以及起重機(jī)基柱筒體等形狀系數(shù)取0.5，大起重機(jī)的桁架式吊臂形狀系數(shù)取0.6或者更小，直升機(jī)平臺(tái)圓管下支柱以其實(shí)際投影面積乘以形狀系數(shù)0.5；對(duì)于輔起重機(jī)、雜物吊、雷達(dá)桅等較小的孤立構(gòu)件，可以參照ABS規(guī)范的要求取總投影面積的0.3倍；適當(dāng)?shù)乜紤]相距較近的構(gòu)件之間的遮蔽效應(yīng)，對(duì)于被遮擋構(gòu)件的投影面積進(jìn)行折減；不考慮構(gòu)件的高度系數(shù)。

通過(guò)上述方法可使所配置的臨時(shí)錨設(shè)備既能夠滿足既定環(huán)境條件下的臨時(shí)錨泊需求，又能減少設(shè)備所占的甲板面積，減輕空船質(zhì)量，在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間取得平衡。