铺管船作业安全性的评估方法

汪 蔷，任慧龙，李 辉，李陈峰

(哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程力学研究所，哈尔滨150001)

西气东输二线香港支线是西气东输二线管道工程项目中的一部分，香港支线起于大铲岛末站，经海底敷设至香港龙鼓滩输气站。实际项目中，采用“中油海101”铺管船进行海底管道敷设。在不同海况下，采用锚泊移位系统［1］的铺管船受到风载荷、流载荷、慢漂力和系泊力的综合作用，其作业的安全性成为工程人员重点关注的问题，而此前并没有业界认可的规范性方法，因此本文针对铺管船作业安全性的评估方法和相关结论对实际工程有十分重要的参考价值。

1 相关参数

1.1 坐标系系统

为便于描述船舶运动，引入坐标系O-XYZ，原点位于艉垂线与基线的交点，X轴平行于船体基线指向船艏，Y轴与X轴相垂直并指向左舷，Z轴竖直向上。风浪流方向根据风浪流方向角来确定，风浪流方向角是指坐标系X轴正向逆时针旋转到风浪流传播方向所形成的夹角。其中，随浪方向为0°，迎浪方向为180°。

1.2 铺管船基本参数

铺管船基本结构参数［2］:总长123.78 m;垂线间长115.00 m;型宽32.20 m;型深6.50 m;设计吃水4.00 m;排水量14 539.30 t。

1.3 锚泊系统参数

铺管船锚泊系统使用钢芯钢丝绳，具体参数:重量集度18.10 kg/m;最小破断拉力3 560 kN;弹性模量170 GPa;抗拉强度2 160.00 MPa。

2 风载荷、流载荷的计算

《CCS海上移动平台入级与建造规范》［3］(以下简称《规范》)中关于构件上的风载荷Ff为

式中:v——设计风速，m/s;

S——平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积，m2;

Ch、Cs——受风构件的高度和形状系数，Cs由《规范》中对高度系数和形状系数的规定来确定。

构件上的海流载荷计算公式为

式中:CD——曳力系数;

ρW——海水密度，kNs2/m4;

v——设计海流流速，m/s;

S——构件在与流速垂直平面上的投影面积，m2。

AQWA水动力软件通过用户输入的风流系数来确定风载荷和流载荷。在计算海洋平台时，平台形状对称，风流系数计算较为容易;在计算FPSO时，由于FPSO外形较规整，可根据《Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs》中的关于VLCC的风流系数曲线进行近似取值;而对于铺管船，上层建筑物较为复杂，且目前尚无规范性的风流系数曲线进行近似取值，本文从风流系数的定义出发，提出一种通用性的风流系数计算公式，来较为准确地确定铺管船风流系数。风力系数为;流力系数为C令构件的投影面积乘以相应系数为有效投影面积S'，风流系数的确定关键在于有效投影面积S'的合理确定。

考虑到风力系数中的投影面积较为复杂，现以风力系数为例来说明风流系数的计算方法。假定来风方向为90°时，船体水上共有n个受风结构，其中第i个结构在XOZ平面的投影面积为Ai，相应投影面形心的X方向坐标为xi;来风方向为0°时，船体水上共有k个受风结构，其中第j个结构在YOZ平面的投影面积为Bj，相应投影面形心的Y方向坐标为yj。在风向角为α时，根据高度系数和形状系数进行缩减后的有效投影面积S'可以表达为

缩减后的有效投影面积乘上相应常量即可得到风力系数W的表达式。实际软件中需输入风力系数在x、y和绕z方向的分量Wx、Wy、Wrz。

式中:x0，y0，z0——船舶重心坐标。

类似于风力系数的计算，可以获得流力系数在x、y和绕z3个方向的分量Cx、Cy、Crz。

3 铺管船作业安全性评估

在Ansys中建立如图1所示的铺管船湿表面网格，利用AQWA水动力软件进行铺管船的频域分析以及与锚泊系统耦合的时域分析［4］，计算出不同工况下铺管船锚链张力和位移偏移量，通过与相应许用值比较来实现铺管船作业安全性的评估。工程上较为关心最大锚链张力，定义各锚链中张力最大的锚链为主要承力链。在给定工况和布锚方式下，通过主要承力链的张力随其长度变化的曲线，确定最小张力对应的锚链长度范围，从而实现主要承力链的锚链长度优化。

图1 铺管船湿表面网格

4 批量工况计算的程序化

由蒲式风级表得到风级与波高对应关系，联合铺管船实际作业海域的海浪分布资料，设计具体计算工况，计算流速选为0.34 m/s，风级变化从3级到7级，有义波高从0.5 m变化到4.0 m，共8个，具体数值见表1。

根据实际作业情况，选定11种铺管船作业时的布锚状态。在对每一种布锚方式进行分析时，需要对风浪流方向进行划分，默认风浪流方向一致，保证此时对船舶作用效果最大。浪向从0°到180°以30°间隔进行取值，7个浪向与8个有义波高进行组合得到每种布锚状态下可能遭遇的海况，因此每种布锚状态都需要计算56种工况。

不同工况的差别只是风浪流参数不同，每种工况下都需要提取8根锚链中最大承力链的号码以及锚链最大张力，人工机械的方式处理此过程非常耗时。本文通过Fortran语言编写可执行文件实现组合不同风浪流参数，生成不同工况下AQWA软件所需的输入文件;利用批处理语言调用Fortran可执行文件和AQWA软件，实现在恰当地给定布锚方式和工况下，锚链张力的批量计算和结果数据提取，极大地节省了人力。

表1 锚链张力计算结果

为保证计算结果准确，最大锚链张力应在锚链张力数值处于平稳变化的时间段进行选取，避免由于平衡位置调整引起的锚链张力出现突变值。

5 算例分析

5.1 铺管船风流系数的计算结果

根据“中油海101”铺管船具体结构形状，确定风力系数曲线和流力系数曲线，见图2和图3。

5.2 铺管船锚链张力值的安全性评估

依据铺管船实际作业海域地势特点，选定布锚方式，以其中龙鼓航道段第三阶段布锚方式为例，见图4。锚链张力许用值根据《规范》中对锚缆安全系数的规定取为2.0。钢芯钢丝绳最小破断力为3 560 kN，因此许用张力值为1 780 kN，将锚链张力最大值与许用张力值相比较，实现从锚链张力值方面对进行铺管船作业安全性的评估。表1中灰色区域代表锚链张力超过许用值的工况。表中No.代表锚链编号。

5.3 铺管船运动偏移量的安全性评估

铺管船在作业时，对不同方向的位移范围有一定要求。其中纵向x偏移量，横向y偏移量，垂向z偏移量和艏摇角数值较大，工程上较为关心。以图4龙鼓航道段第三阶段布锚方式为例，通过计算得到不同工况时铺管船重心位移变化量。表2为有义波高为1.25 m、不同浪向下铺管船重心位移偏移量，表3为浪向为30°、不同有义波高下铺管船重心位移偏移量。

图4 龙鼓航道段第三阶段布锚方式示意

表2 1.25 m有义波高不同浪向铺管船重心位移最大偏移量

表3 30°浪向时不同波高位移最大偏移量

由表2可见，在横浪海况下，多项位移偏移量达到最大值，因此横浪海况应为工程人员重点关注的海况。当此时位移偏移量超过铺管船允许作业范围时，可采用拖轮辅助作业。由表3结果可知，各项位移偏移量随波高的增大而增大，因此波高较大工况应重点关注。

5.4 锚链长度优化

选取龙鼓航道段第一阶段布锚方式为例，布锚方式见图5。在浪向60°、1.5 m有义波高下，6号锚链为主要承力链，绘制该链张力随其长度的变化曲线，由图6可知，锚链长度为400 m左右时，锚链张力值达到最小。

图5 龙鼓航道段第一阶段布锚方式

图6 锚链张力随锚链长度变化曲线

6 结论

1)本文所提出的AQWA的风流系数计算公式适用于不同船型、不同上层建筑形式的船舶，计算结果可靠。

2)程序化处理方法实现了大量工况的自动计算和结果处理，提高了铺管船作业安全性评估的工作效率，缩短了工作周期。

3)本文提出了锚链长度的优化方法，实际铺管作业时，可分析当天海况下主要承力链，确定其最佳长度范围，使主要承力链的张力尽可能减小，增强作业安全性。

［1］王铭铭.铺管船锚泊移位系统的分析及应用［D］.大连:大连理工大学，2008.

［2］罗晓健.浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究［J］.中国海洋平台，2012，27(1):9-12.

［3］中国船级社.CCS海上平台入级与建造规范［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］刘应中，缪国平.系泊系统动力分析的时域方法.上海交通大学学报，1997，33(11):7-12.