半潜式起重铺管船系泊系统设计

宋安科，何 宁，钟文军，蔡元浪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

系泊定位系统设计中需要考虑以下因素：设计准则，环境载荷的计算，系泊分析的方法，以及系泊设备的选取和配置等。

系泊系统的设备包括系泊绞车、导向轮、钢丝绳和锚。设备的功能参数由船体在设计环境条件下所受的环境载荷所决定。

按照不同的分类依据，系泊系统分析的方法可简单分为频域分析和时域分析，耦合分析和非耦合分析，或者静力分析和动力分析。本文所讨论的系泊系统设计分析方法是非耦合的频域动力分析方法，即船体运动和系泊缆运动分开考虑，不考虑两者之间的耦合效应，系泊缆拉力计算中考虑了系泊缆的动力效应，系统响应使用了基于环境波浪谱的谱分析方法。

一般地，在工程类船舶整个生命周期内，系泊缆和锚等结构会经历多次的抛锚和起锚操作，每次的作业期短则数天，长则数周，因此，这类船的系泊系统属于临时系泊系统，不需要进行疲劳分析。但船体上的导向轮及其支撑结构需要进行疲劳分析。对于系泊缆和锚，只需要进行结构强度校核。

本文主要讨论了系泊系统设计中基于系泊缆强度分析的系泊缆尺寸的确定，以及系泊绞车和锚的选取。

1.3.3 1年后复发转移情况和死亡情况评价 患者在治疗过程中检查患者的周围淋巴结如胸壁、腋窝淋巴结和锁骨上淋巴结是否有肿大等异常情况，从而确定是否有局部和区域淋巴结复发转移的情况；定期进行影像学检查，判断肿瘤是否有全身转移的情况，通过X线胸片检查了解肺部转移情况，通过腹部超声和CT检查，判断是否具有肝转移，此外还可以进行直肠指诊，判断是否有腹部转移，怀疑有骨转移时，可以进行骨扫描，判断是否具有骨转移，从而判定患者是否有肿瘤的远处转移；检查患者的肿瘤标记物、激素、生化等指标，在随访过程中[7-10]，肿瘤标记物的升高，往往提示肿瘤的复发转移。分析两组患者复发转移情况和死亡情况。

1 系泊系统设计方法

系泊设计中主要考虑两个系统响应：船体的运动位移和系泊缆中的拉力。

系泊设计中把系泊系统对环境载荷的响应分为两类：静力响应和动力响应。其中，动力响应又分为低频响应和波频响应两部分。波频响应主要由一阶波浪载荷引起；引起系泊系统低频响应的包括风载荷和二阶低频波浪载荷。

1.1 设计准则

系泊系统设计的安全准则分为两类：一种是以工作应力设计法(WSD)为基础的(全局)安全系数法，美国船级社(ABS)和美国石油学会(API)的规范中即采用这种方法；另一种是挪威船级社(DNV)规范[1]所采用的局部安全系数法。

在局部安全系数法中，对平均环境载荷(静力)效应和动载荷(动力)效应使用了不同的安全系数，并以利用率(系数)u为衡准，定义如下：

(1)

式中：SC为系泊缆的特征强度；TC-mean为系泊缆的特征平均拉力，来自预张紧力和平均环境载荷；TC-dyn为缆绳的特征动拉力，来自环境的低频和波频载荷；γmean和γdyn分别是平均拉力和动拉力的安全系数。

根据DNV规范[1]，在计算分析中极限工况(ULS)和失效工况(ALS)下对应不同的后果等级应使用不同的安全系数，如表1所示。根据系泊系统失效发生后所带来的后果的严重程度，定义以下两个后果等级：(1)等级1，系泊系统失效不太可能带来不可接受的后果；(2)等级2，系泊系统失效很有可能带来不可接受的后果。

表1 动力分析法的局部安全系数Table 1 Partial safety factors for dynamic analysis

*注：在平均拉力超过总动拉力的2/3时，安全系数均取1.3[1]。

1.2 系泊系统频域动力分析方法

在频域系泊分析中，系统响应将低频和波频部分分开考虑，即船体运动位移包括静平衡状态的平均位移、低频运动位移和波频运动位移；系泊缆拉力分为静载荷下的平均拉力、波频拉力和低频拉力。系统的静态响应是在环境平均载荷——包括风力、流力和平均波浪漂移力，以及[推进器辅助系泊(TAM)系统中的]推进器推力等——的共同作用下船体达到平衡状态时的位移和对应的系泊缆拉力。

波频运动响应通过由水动力分析得到的波频运动传递函数来计算运动响应谱：

(2)

进而得到运动的标准差。位移标准差为

(3)

速度标准差为

(4)

(5)

(6)

低频运动响应需要通过求解低频运动方程

(7)

得到传递函数矩阵

(8)

进而得到运动响应谱矩阵

(9)

(10)

式中：FLF为低频环境作用力；M为质量矩阵(包括附加质量)；K为刚度矩阵；低频非线性阻尼矩阵C需经过随机线性化处理。低频运动的有义值可以按照高斯过程假设计算，即

(11)

(12)

但低频运动的极值不能按照高斯过程假设计算，需要按照适用于非高斯随机过程的Stansberg方法[4]计算得到：

(13)

最后，按照通常的方法[1]，通过叠加波频和低频以及平均位移得到船体运动的总最大位移，即取下式计算中较大的结果：

(14)

系泊缆拉力的动力分析使用了一种简化的解析模型[3]，将系泊缆的多自由度运动简化为一个等效的单自由度运动方程来描述：

(15)

由等效运动方程可以得到由顶点(导缆器处)沿系泊线切向的运动位移xt到等效位移u的传递函数，以及由xt到系泊缆内动态拉力TD的传递函数：

(16)

(17)

然后，可以得到等效位移和动拉力的方差及其时间导数的方差：

(18)

(19)

最后，系泊缆动态拉力的最大值可以按照Stansberg方法计算得到。

2 系泊系统设计方法的应用

深水铺管起重船(以下简称本船)是海洋石油工程股份有限公司自主设计的一条用于深水平台的铺管和起重作业的六立柱半潜式工程船。本船船长约180m，船宽98m，作业吃水37m，配备有最大水深3000m的J型铺管系统和两台6000t的起重机。在其设计任务书中对定位系统的功能要求是：在水深小于300m水域进行起重作业时使用系泊系统进行定位，在其他情况下使用动力定位系统进行定位。

定位系统的功能需求是：在待机环境条件下，动力定位系统应满足迎风浪条件下的定位能力需求，系泊定位系统应满足完整工况和单项失效工况下的设计准则要求。关于动力定位系统的设计另文详述，本文只讨论频域动力分析方法在系泊定位系统设计中的应用。

2.1 设计环境条件与定常环境载荷

根据设计任务书，本船的系泊设计中需要考虑的设计环境条件的参数如表2所示。其中，波谱取JONSWAP谱，谱峰系数γ取平均值3.3。

风和流引起的定常环境载荷使用由风洞试验测得的风载荷系数和流载荷系数计算得到。波浪引起的平均波浪漂移载荷可以用由水动力分析得到的平均波漂力系数计算得到。用悬链线理论的静力分析方法即可得到在定常环境载荷作用下的系统响应。

表2 系泊系统的设计环境条件Table 2 Environmental conditions for mooring system design

2.2 系泊分析结果

按照上文所述方法进行频域系泊动力分析，最终确定系泊缆全部采用直径96mm的钢丝绳，计算中用到的其他系泊缆参数如表3所示。系泊系统的布置方式如图1所示。

表3 系泊缆参数Table 3 Mooring line parameters

图1 系泊系统布置图Fig.1 Mooring system layout

在系泊分析中，考虑到系统和船体的对称性，仅考虑了0°～180°的环境方向，且仅考虑了300m水深下风浪流同向的情况。每根系泊缆的顶部初始拉力均为600kN。

根据DNV规范的设计准则，本船的系泊系统在起重作业工况下按照等级2的准则进行核准，在起重待机工况下按照等级1的准则进行核准。

系泊分析的结果表明，在起重作业环境下，所设计的系泊系统满足规范对完整工况(即ULS)和单缆失效工况(即ALS)的安全衡准；但是，在待机环境条件下，由于环境载荷比作业环境更大，系泊系统在绝大多数环境方向下不能同时满足规范对ULS和ALS的安全准则要求，因此，需要考虑开启TAM系统进行定位。

2.3 TAM系统系泊分析结果

在TAM系统的设计分析中使用了简化的分析方法：平均载荷折减法，即在计算分析中没有考虑DP控制系统的刚度和阻尼对船体运动动力分析的影响。而且，推进器系统的推力仅用于平衡环境的平均力，不考虑对环境艏摇力矩的平衡，即推进器系统不用于艏向控制。

根据总布置图，本船配置12台4500kW全回转推进器，每台推进器能提供的最大推力为780kN，推进器总功率54MW，能提供的最大推力为9360kN。分析中考虑了10%的推力折减，所有推进器可提供的最大推力合力是780×0.9×12=8424kN，可以覆盖大部分方向的待机环境下的平均静载荷。

对于推进器辅助定位系统，单项失效工况(即ALS)需要考虑两种情况：单缆失效和推进器系统失效。推进器系统的失效包括单台推进器的失效、控制系统故障、动力系统故障等。本文中，仅保守地考虑了后果最严重的(全船失电)情况下推进器推力全部损失作为推进器系统失效工况。

分析结果表明，在待机环境条件下，开启TAM系统后，所设计的系泊系统可以同时满足规范对ULS和ALS的安全准则要求。完整工况下，在最危险的环境方向，推进器系统至少需要提供30%推力才能满足安全准则要求。在单缆失效的情况下，在最危险的环境方向，推进器系统至少需要提供60%推力才能满足安全要求。在最保守的推进器系统失效工况下，所有方向下所有系泊缆的利用率均小于1，满足设计衡准。

出于安全的考虑，建议依据系泊缆拉力监测的结果，在系泊拉力大于447t[约为最小破断拉力(MBL)的61%]时开启推进器系统进行辅助系泊定位。

作为一条具备自航能力的工程船，本船没有考虑取得DNV的POSMOOR船级符号，设计工况没有考虑自存工况(北大西洋百年一遇环境)，因此，当环境条件比待机环境更恶劣时，应提前准备驶离恶劣海况的海域，若不能及时收回系泊缆，应启动绞车的紧急释放装置，弃缆驶离。

2.4 系泊设备选取

根据系泊分析的结果，起重作业时，单缆失效工况下系泊缆承受最大的拉力，在最危险环境方向下，系泊缆顶部拉力最大值为5984.9kN，锚端受力最大值为5771.6kN，躺底缆长度为303.34m，锚端没有上拔力。因此，根据规范[5]要求，需要配置承载力至少为589t的锚和刹车载荷至少为610t的绞车。

3 结 语

使用频域动力分析方法对一艘半潜式工程船进行系泊系统分析与设计。对于船体的波频运动，由水动力分析得到运动传递函数，而对于低频运动，则通过求解运动方程得到传递函数，然后按照窄带高斯随机过程假设计算有义值和最大值；系泊缆运动简化为单自由度等效模型，并由运动方程得到动拉力的传递函数，按照窄带高斯随机过程假设计算有义值，用Stansberg方法计算最大值。

所设计的系泊系统满足DNV规范的局部安全系数法的安全准则要求，在待机环境下，需要开启推进器辅助系泊系统，使用保守的简化分析方法考虑推进器系统的效应进行频域系泊动力分析。

[1] Det Norske Veritas.DNVGL-OS-E301.Position mooring [S].2015.

[2] Det Norske Veritas.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads [S].2014.

[3] MARINTEK.MIMOSA 6.3 user’s documentation [M].Trondheim：Norwegian Marine Technology Research Institute,2012.

[4] Stansberg C T.Prediction of extreme slow-drift amplitudes [C].OMAE,2000：OMAE-00-6135.

[5] International Organization for Standardization.ISO 9089—1989.Marine structures：mobile offshore units-anchor winches [S].1989.