大型海洋平台出江方案设计

贾 君，程正华，陈伶翔，吴锋锋

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226000）

0 引言

随着国家不断推进深远海大型装备的研制，越来越多船厂开始承建大型海上装备。由于受到长江水深的限制，大型海工装备的建造基地大都分布在沿海地区。长江内河船厂以建造小型船舶为主，难以为大型海洋装备提供出江方案[1]。为给内河船厂提供技术支持和解决方案，本文基于某大型半潜起重平台，结合长江出海口的水深信息，设计湿拖、浮拖和干拖等3 种拖航方案。对各方案实施过程中的限制条件进行分析，并在此基础上选择最优出江方案。

1 出江限制条件

大型海工装备出江的限制因素主要包括平台吃水、出江时的气象条件、拖航路线上各航段的水深，以及相应时间段的潮汐情况。在拖航时需要保证整个过程中海况良好[2]。在分析吃水时，需要结合拖航路线上的水深信息和潮汐情况。

长江口水域的最浅水深位于九段航道，只要满足该航段的吃水要求，就能满足长江口水域的正常通航[3]。九段航道被九段沙分隔为北槽航道和南槽航道。北槽航道的水深较深，最小泥面标高为12.5 m，设计高潮位为4.0 m，基本能满足所有大型平台的吃水要求。然而该航道船只较多，航道较窄，最窄宽度仅有350.0 m，在拖航大型海洋平台时需要暂时封闭航道供其通航。南槽航道较宽，水深较浅，最小泥面标高为4.8 m，设计高潮位为4.0 m，最大吃水为8.3 m。

本文研究的海洋平台为大型半潜式起重平台，平台的主尺度见表1。由于海工平台在空载状态下的最小正浮吃水为10.5 m，超过南槽航道的最大吃水，故需要通过增加浮力的方式减少平台吃水。

表1 大型半潜式起重平台的主尺度

2 出江方案设计

2.1 湿拖（北槽）

长江北槽航道的水深较深，吃水较大的海洋平台和船只可直接在该航道中航行。在静水中拖航大型半潜式起重平台，当拖航速度为5 kn 时，产生的阻力为1 850 kN；在标准海况（风速20 m/s；有义波高5 m；流速0.5 m/s）下，保持航向所克服的阻力为1 880 kN[4]。根据阻力计算结果，上海打捞局能满足条件的拖轮仅有“德深”号。根据挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）相关指南，拖轮在波浪中的有效系柱拖力系数的计算公式为

式中：Te为有效系柱拖力系数；Lpp为拖轮总长；Bp为系柱拖力；Hs为有义波高。

不同环境条件下拖航阻力校核情况见表2，有 效系柱拖力满足拖航要求。

表2 不同环境条件下拖航阻力校核情况

由于海洋平台的左右浮箱不对称，故其在拖航时存在偏航力和偏航力矩。为保持平台航向不变，在平台的左右舷各布置2 艘小拖轮以克服平台因不对称产生的偏航，见图1。

图1 拖航布置图

2.2 浮拖（南槽）

长江南槽航道的最浅水深为4.8 m，最大潮位为4.0 m，涨潮期间水深为8.0 m。由于海工平台在空载状态下的最小正浮吃水为10.5 m，超过南槽航道的最大吃水，如需从该航道出江，则必须增加平台浮力或减少空船质量。由于减少空船质量会破坏船体结构，故采用增加浮力的方式来减少吃水。

半潜船增加平台的浮力，将2 艘驳船作为半潜船与半潜式起重平台间的支撑构件（见图2），在驳船顶部甲板铺满木块，将半潜式起重平台的载荷均匀传递到半潜船上，并利用半潜船的自身动力驶出长江。在拖航期间，半潜式起重平台和半潜船相对静止，但系统的稳性、水动力特性、航行时的偏航力和偏航力矩等都均发生较大变化。为保证该方案在拖航时的安全性，对系统的稳性、水动力性能进行单独校核。

图2 半潜船示意图（单位：mm）

2.2.1 稳性分析

在拖航前，查询未来24 h 或72 h 的气象信息，并选择天气较好的时段进行拖航。依据美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）相关规范对整个拖航系统的稳性进行计算和校核。在校核过程中，结合拖航期间实际天气条件，选取风速13.8 m/s（蒲氏6 级）进行计算。拖航系统满足ABS 的相关要求[5]。

2.2.2 偏航力和偏航力矩分析

由于海洋平台的左右浮箱不对称，故其在拖航时存在偏航力和偏航力矩。为保证方案的可行性，采用WAMIT 软件分析拖航系统的偏航情况。假设拖航时Hs=5 mm，则拖航系统在不同航速和艏浪方向下的偏航平均距离见表3。在航速为4 kn 时，拖航系统的平均偏航距离为20.4 m，需要使用半潜船自身产生的动力来克服偏航。使用Star CCM+软件对该系统在航速6 kn 情况下的水动力进行分析，结果见表4。

表3 拖航系统的偏航平均距离

表4 拖航系统水动力分析

由表4 可知，在来流方向为135°和225°时，该系统的横向力和偏航力矩较大。若采用该方案进行拖航，为保持较好的操纵性，须时刻保持拖航方向与水流方向一致，这对拖航指挥有较高的要求。

2.2.3 强度分析

采用浮拖的方式出江，半潜平台双层底甲板会 承受120 000 kN 的垂直向上的托力，而双层底在设计初期并未考虑受到这样一种载荷。为防止在拖航过程中平台因受力过大出现结构破损或者产生较大塑性变形，需要分析平台的结构强度。半潜式起重平台的结构强度分析结果及应力云图分别见表5 和图3。双层底的强度满足本次拖航的要求。

图3 半潜式起重平台应力云图

表5 半潜式起重平台的结构强度分析结果

2.3 干拖

干拖方案将大型半潜平台当作货物，通过半潜运输船将其运出长江。目前国内的半潜运输船主要“泰安口”号、“康盛口”号、“祥云口”号、“祥安口”号等，其具体参数见表6[6]。

表6 半潜运输船主要参数

本平台的空载质量为25 000 t，多条半潜运输船均可满足要求。为提高运输船的效率、降低运输成本，在出江时选择“致远口”号进行运输。

3 出江方案评估

1）湿拖方案

拖航期间半潜式起重平台的稳性、水动力性能，以及拖轮的稳性均可通过查阅船级社批准的操作手 册得到。由于海洋平台的左右浮箱不对称，故其在拖航时会产生一定偏航。受到水深条件限制，该方案必须从北槽航道出江。由于北槽航道较窄，且本次拖航编队的航迹带较长、拖航宽度较宽，在拖航时须占据整个航道，造成其他船只短暂停航。总体来看，该方案较为常规，拖航公司的经验较为丰富，方案的风险较小。

2）浮拖方案

该方案的拖航吃水较小，可选择任意一条航道进行拖航。然而，浮拖方案需要重新计算整个拖航系统的稳性、水动力性能，以及结构强度，计算过程相对复杂。计算结果表明：当来流角度为45°时，偏航力矩较大，操控较为困难。此外，拖航公司没有相关经验可供参考，风险较大。

3）干拖方案

该方案无须考虑半潜式起重平台的水动力，且对于该类作业拖航公司具有较丰富的经验，操作难度也相对简单。然而，干拖方案需要校核码头前沿水深，保证半潜平台能够安装到半潜运输船上。在半潜式起重平台上驳时，“致远口”号半潜运输船需要的最小吃水见表7。由于安全吃水远远大于码头的水深，故该方案不可行。

表7 平台上驳时半潜运输船的最小吃水

综合考虑3 种方案，最终选择风险较小的湿拖方案，其实际拖航过程见图4，成功将半潜式起重平台从长江北槽拖航至指定海域。

4 结论

大型海洋平台在出江的过程中常遇到吃水过大、出江困难等问题。本文基于某大型半潜起重平台，结合长江出海口的水深信息，设计湿拖、浮拖和干拖等3 种拖航方案。对各方案实施过程中的限制条件进行分析，并在此基础上选择最优出江方案，可以得到如下结论：

1）湿拖方案仅能够从长江北槽航道出江，该航道较窄，在拖航时需要重点关注航迹带宽度和艏部偏航的情况。湿拖方案可作为大型海洋平台出江的首选方案。

2）浮拖方案的优点是无航道限制，但需要进行复杂的计算分析，同时操纵难度较大，对船长的操作经验要求高。

3）干拖方案需要校核码头水深是否能够满足平台上驳时半潜运输船的最小吃水。