某型海底动力电缆敷设船锚泊系统设计

殷俊俊 刘乐乐 潘方豪 王颢然 张志刚

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2. 浙江省启明电力集团公司海缆工程公司 舟山316000）

引 言

电缆敷设船（CLV）主要用于海上风电场海、岛屿间互联供电的海底电缆敷设施工作业以及海缆检修作业。根据不同海域的作业条件，目前已经建造出具有各类设备和尺寸齐全的电缆敷设船。本文以某型非自航方驳型电缆敷设船（下文简称“布缆船”）为目标，设计出满足作业及规范法规要求的牵引移船系统和锚泊定位系统。通常非自航的驳船需要依靠拖船进行拖带航行。电缆敷设时，驳船通过拖船和（或）沿电缆路由上放置的锚来拖行前进来进行海底电缆敷设，如图1所示。

图1 典型电缆铺设示意图

常规布缆作业移船工况时一般采用单点锚泊系统，利用绞车收缆牵引移船，定位工况时采用4点锚泊定位。然而这种移船和定位方式抵御风浪能力较弱，并且移船和定位工况模式切换慢，无法及时响应。本船采用8点锚泊定位和移船系统，移船工况时采用8点锚轮替翻锚移船，定位工况时8点和4点定位均可，能够适应较高海况作业，迅速实现移船和定位锚泊模式的切换，提高了系统可靠性，可进一步降低布缆时电缆的损坏率。而且锚泊系统作为海上定位和移船系统有着作业性价比高、可靠性好、节能环保，后期更易检修维护的特点。

1 电缆敷设船（布缆船）概况

为保证5 000 t海底动力电缆的装载、转运和海底敷设作业，本船采用了方首尾的平底重载平甲板驳船船型。该船的主尺度参见表1，实船外型参见图2。

表1 电缆船主尺度

图2 电缆船总布置概貌图

2 环境条件

锚泊定位环境条件分为作业条件和生存条件。作业条件是保证起布缆作业时不超过允许偏移范围的最大环境条件。生存条件考虑船舶不作业时依靠锚泊系统能在海上支持的最大设计条件，此时允许船舶有较大的偏移。环境条件一般由用户提出，通过系统分析，去核定所选的环境条件是否能达到使用要求。本船主要工作水域位于我国沿海舟山地区，综合考虑当地环境条件和造价因素，最后给定如下设计。因此在锚泊系统设计时选取如下海况为作业工况和自存工况。该船设计为出现台风时和有缆破损时候停止作业。作业工况和自存工况的风浪流条件如下页表2和表3所示。

表2 作业工况

3 布锚形式

锚泊系统初步选用8点定位方式，能够同时满足轮替移船系统作业要求。作业工况布锚方式如图3所示，自存工况布锚方式如图4所示，移船过程如下页图5所示。锚索为钢丝绳，具体参数如下页表4所示。

表3 自存工况

图3 作业工况八点翻锚作业布锚方式

图4 自存工况八点锚泊定位布锚方式

图5 电缆船8点翻锚轮替移船过程示意图

表4 缆-链锚索系统组成及参数

4 设计衡准

本船锚泊系统根据CCS相关规范和API-RP-2SK进行设计。当出现台风时或者发生钢索损坏时，停止作业并撤离。该锚泊系统分别按照完整作业工况和完整自存工况进行分析，并对最大张力锚索破断时的情况进行分析校核，如表5所示。

表5 极限张力和安全系数

5 锚泊定位系统分析

5.1 锚泊定位系统分析方法

本船锚泊定位分析采用DNV SESAM软件的HydroD水动力计算模块和Mimosa锚泊分析模块进行计算，系泊计算采用频域准动态分析方法。

5.1.1 准动态分析方法

准静态分析法中，先静态偏移系泊船，再在承载最大锚索的导索点处施加合适的波浪运动，以考虑波浪动力载荷。准静力分析法中，先静态偏移系泊船，再在承载最大锚索的导锁点处施加合适的波浪运动，以考虑波浪动力载荷。在该法中，忽略了导索点的垂直运动，以及与锚索质量、阻尼、流体动力等有关动力效应。准静力分析法的程序：

（1）确定锚泊系统静刚度特性。应考虑锚索的弹性伸长，特别对浅水中绷的较紧的锚泊系统尤应予以考虑。此外，视具体情况，尚应计及海流、海底倾斜以及海底与锚索之间摩擦等影响。

（3）确定平均偏移处的锚泊刚度，根据此锚泊刚度，进行系泊船低频运动分析，以确定系泊船低频运动有效及最大单幅值。

（4）确定系泊船波频运动有效及最大单幅值。

（5）确定船最大偏移和锚索最大张力。

（6）确定锚索最大悬挂长度，对不能承受上拔力的锚设备，最大悬挂索长应小于舷外索长。

（7）确定锚最大载荷，锚承受的最大载荷应按式（1）确定：

式中：Tmax为锚索最大张力，kN；W为锚索单位长度水中质量，kg；h为水深，m；F为锚索与海底间摩擦力，kN。

5.1.2 船体的平均位置

船体在静平衡位置，各外力作用下的合力或合力矩为0，如式（2）所示：

5.1.3 船体的波频运动

船体的波频运动通过各Airy波对应的运动响应线性叠加而成。坐标点位于（x，y）处，t时刻的波面高度可表示为式（3）所示：

式中：n为Airy波的个数；ai，ωi和φi分别为第i个Airy波的波幅、圆频率和相位；β为入射波浪的传播方向；ki为波数。

能量谱密度函数如式（4）所示：

式中：g为加速度；ωp为谱峰频率；γ为形状参数，β=1.25，σ参数和α参数可由式（5）得出：

假设随机波浪的形状参数为2.05，谱峰周期Tp为14.0 s，有义波高Hs为9.0 m，其能量谱密度曲线如图6所示。

图6 波浪谱密度函数曲线

选择合理的频率区间（ωm，ωM），并将其分成均等的n份，第i个Airy波的幅值ai可表示为式（6）所示：

随机波浪的时间历程为：

船体重心位置处，相对平衡位置的波频运动时历为：

式中：R*和R**分别为船体运动响应的同相位和反相位幅值；βH为入射角度；XG和YG为船体重心处的平衡位置。

5.1.4 船体的低频运动

船体三个方向上的低频运动通过式（9）求解：

式中：m为船体质量；Iψψ为船体首摇转动惯量；分别为x和y方向的附加质量；为首摇方向的附加转动惯量；Bxx、Byy和Bψψ为三个方向的阻尼系数； xG、yG和ΨG为船体重心位置处的横荡运动、纵荡运动和首摇运动；和船体在三个方向所受的风浪流作用力。

电缆敷设船重心处总的运动位移时历由平均位移、低频位移和波频位移组合而成。将该运动时历加至系泊缆顶端，便可计算出系泊缆各处的张力。

5.2 锚泊定位系统分析计算

5.2.1 风载荷计算

风作用在电缆船水上部分的力通常包括三个分量，即纵向力，横向力和绕垂向轴的首摇力矩。确定风载荷最精确可靠的方法是在风洞中进行模型试验，但风洞试验所需时间较长，并且代价较高，对每个目标船型都进行风洞试验不切实际。在没有风洞试验资料的情况下，可根据API规范对风载荷的计算一般如下的采用如式（10）所示经验公式：

式中：Fw为风载荷，kN；Cw= 0.615，kNs/m；Cs为形状系数；Ch为高度系数；Vw为设计风速，m/s。

5.2.2 流载荷计算

电缆船的首尾向和侧向海流力Fcs按式（11）计算。

式中：Ccs为半潜式船体海流力系数，取515.62 Ns2/ m4；Cd为曳力系数。圆柱形为0.5；Ac为所有水下圆柱形构件投影面积之和，m2；Af为所有水下平面构件投影面积之和，m2；Vc为设计流速，m/s。

5.2.3 水动力计算

通过HydroD水动力分析软件计算得到一阶波浪激励力、二阶平均漂移力、船体运动响应RAO和阻尼系数等。

5.2.4 锚泊定位计算

通过以上输入条件结合锚泊系统配置参数确定锚泊系统刚度特性，针对不同环境条件得到相应的偏移及锚索张力。锚泊系统分析原理图如图7所示。

图7 锚泊系统分析原理图

5.3 锚泊定位系统组成

本船按8点锚泊系统配置锚设备。锚泊设备的组成如下：

锚索8根，为50 mm的镀锌钢丝绳，长约1 500 m，破断负荷约为1 580 kN。

锚8只，海洋工程大抓力锚STEVPRIS型，每只4 000 kg。

锚绞车8台，电动变频驱动。锚绞车工作拉力为约750 kN（第1层）。

5.4 锚泊定位系统分析结果

经过分析软件计算，具体分析结果如下页表6和表7所示，根据不同流速对应的定位能力参见下页图8和图9。

从上可知，本船能够在作业和自存工况下，实现如下能力：

5.4.1 作业工况（轮替翻锚移船）

（1）在2 kn流速、1.5 m波高，风速13.8 m/s时，可保持全浪向作业；

（2）在3 kn流速、1.5 m波高，风速13.8 m/s时，可保持有利船首尾±25°浪向作业；

表6 作业工况锚泊系统定位能力

图8 作业工况定位能力包络图

（3）在4 kn流速、1.5 m波高，风速13.8 m/s时，可保持有利船首尾±5°浪向作业。

5.4.2 自存工况

（1）在3.5 kn流速、2.0 m波高，风速13.8 m/s时，可保持全浪向定位；

（2）在4 kn流速、2.0 m波高，风速13.8 m/s时，可保持在船首尾±50°浪向下定位；

表7 作业工况锚泊系统定位能力

图9 自存工况下定位能力包络图

（3）在5 kn流速、2.0 m波高，风速13.8 m/s时，可保持在船首尾±25°浪向下定位。

因此，本船锚泊系统能够很好地满足海缆作业的要求。

6 锚泊定位系统布置

锚泊定位系统布置见下页图10。

图10 锚泊定位系统布置图

7 结 语

通过对电缆敷设船锚泊系统的设计得到以下结论：

（1）在无拖船辅助的情况下，锚泊系统可在一定环境条件下实现移船作业；

（2）在移船作业过程中，前进方向的锚索不断收回，水中的锚索长度逐渐变短，导致锚索的悬链线形式发生变化，当锚索无躺底段时锚端将会受到一定的上拔力，此时可能出现走锚的情况，所以在设计时应考虑不同水深下的最大可移船距离；

（3）本船的锚泊定位系统计算结果表明，锚泊系统设计能有效满足海底电缆施工船的锚泊和布缆作业要求。本文提供一个可供参考的系统移船锚泊系统设计方法，可为起重船铺管船等船型的锚泊系统设计提供类似参考。