海上移動平臺的拖航阻力

曹樹杰 李紅濤

海上拖航運輸中，準確估算被拖物的拖航阻力，對選配合適的拖輪，滿足規范要求，確保整個拖航航次的安全、經濟、有效，具有十分重要的意義。海上移動式鉆井平臺，如自升式、半潛式、坐底式等類型平臺，往往自身沒有自航能力，需要拖輪進行拖航。此類平臺設計時需要較為準確地預報其拖航阻力，其一根據拖航阻力來確定拖帶設備的配備，其二現場操作時可依據拖航阻力曲線選擇拖輪，確定拖航速度。

拖航阻力計算

中國船級社的《海上拖航指南》（1997）及Nobel Denton的海上拖航規范中明確規定，對于無限航區的拖航，所需最小拖力應滿足：在風速20m/s，船首流速0.5m/s，有義波高5m/s的環境條件同方向作用下，拖船拖帶力至少應能保持被拖船的航向。海上移動平臺拖帶設備的設計，包括拖纜的破斷負荷、卸扣、三角板、拖點等，即以此得到的最小系柱拖力為基礎進行，具體要求可參見《海上拖航法定檢驗技術規則》（1999）。

通過理論計算得到拖航阻力的準確數據是比較困難的，涉及到風、浪、流外部載荷以及平臺的具體型式，較為準確的數據一般應通過水池模型試驗得到，但實際工程中，為節省費用、周期，設計者往往采用較為保守的計算方法。CCS的《海上拖航指南》（1997）附錄2給出了粗略的拖航阻力的估算方法，只是估算了摩擦阻力、剩余阻力以及風阻，缺少波浪阻力；Nobel Denton的海上拖航規范中只是原則性的提到了拖航阻力要求，并沒有給出具體計算方法。

海上移動平臺的拖航阻力主要包括風阻力、流阻力以及波浪阻力。

風阻力

根據CCS MODU，作用在平臺上的風載荷RWD按如下公式計算，

式中， ρ為空氣密度，分別為高度系數和形狀系數，取值可按規范選取； S為平臺沿風吹方向的正投影面積； VW為設計風速。

作用于自升式平臺桁架式樁腿上的風力可按如下公式計算,

式中， CD為樁腿的形狀系數； D為樁腿直徑； L為樁腿高度。其中CDD可按如下公式計算，

式中， xi為風向與構件水平投影的夾角； βi為構件與水平軸的夾角； CDi為樁腿構件的形狀系數，圓形一般可取為0.5； Di為樁腿構件直徑， li為樁腿構件長度， S為樁腿節距； De為樁腿相當直徑，可按如下公式計算，

流阻力

按照中國船級社《海上拖航指南》（1997）的要求，被拖平臺的流阻力可按如下經驗公式計算，

式中， RT為被拖平臺所受流阻力；為被拖平臺的摩擦阻力和剩余阻力，可按如下近似方法計算得到，

式中， A1為平臺的水下濕表面積； VC為拖航速度與實際流速之和； δ為平臺的方形系數； A2為平臺浸水部分的船中橫剖面積。

波浪阻力

海上移動平臺拖航過程中的波浪阻力可按其在波浪中遭受的二階平均漂移力確定。平均漂移力的求解按如下步驟進行：

① 首先按三維勢流理論計算單位波幅規則波下的二階定常漂移力；

② 根據實際海況選取多個頻率的單位規則波，計算平臺受到的二階漂移力，即漂移力的RAO，在此稱之二階漂移力系數WC(ω)；

③ 由以上得到的二階漂移力系數，選取拖航海域合適的波譜，按如下公式計算平均漂移力，即波浪阻力RWA，

式中， S(ω)為海浪普。

拖航總阻力

將以上風阻力、流阻力和波浪阻力相加，可得到被拖平臺的拖航總阻力，即，

拖曳設備的配備

中華人民共和國船舶檢驗局《海上拖航法定檢驗技術規則》（1999）規定，確定海上移動平臺拖航所需最小拖帶力的環境條件為：風速等于20m/s（風從船首或30度方向吹來），船首水流速為0.5m/s，有義波高為5m的條件下，拖帶力至少應能保持被拖物的航向。以此環境條件為基礎，按照1節所述方法計算可得到總拖航阻力，即最小拖帶力 。因此，拖船的系柱拖力BP應滿足，

式中， Te為拖船拖航效率，一般與拖船的船型、拖航海況條件及拖航速度有關，在缺少準確數據的情形下，可按Nobel Denton的海上拖航規范[2]中要求進行選取，如表1所示。

表1 拖船拖航效率

選擇拖纜的破斷負荷按表2確定。

表2 拖纜的最小破斷負荷

此外，拖力點或拖力眼板或系纜樁，至少應能承受拖纜破斷負荷的1.3倍；所有卸扣、環及連接設備的極限負荷能力，應不小于拖纜破斷負荷的1.5倍。

拖船的選擇

海上移動平臺拖航時,拖航速度是確保拖航安全的一個重要因素。由以上所述方法可確定平臺在指定海況下、不同拖航速度下的拖航阻力。一般在平臺的操作手冊中，應至少包括幾種不同海況條件下的拖航阻力曲線，可供平臺作業者選擇使用。當平臺作業者選擇拖船時，首先應確保拖船系柱拖力滿足上述的最小拖帶力 ；然后查閱拖輪的拖力曲線，即在確定海況下、不同拖航速度下，系柱所能發揮的凈拖力；最終與平臺阻力曲線比較，兩條曲線的交點，表示拖力與阻力相等，此時對應的拖航速度，即為能獲得的最大拖航速度。典型的兩條曲線如圖1所示。

圖1 拖力和阻力曲線

算例中的平臺為懸臂梁式自升式鉆井平臺，采用三角形箱形主船體，配有三個桁架式樁腿，艏一尾二，每個樁腿帶有一個六邊形的樁靴，拖航時可收回船底，樁腿長度為93.39米，拖航船體吃水為5.35米。

按第1節所述方法計算算例平臺的拖航阻力, 得到風阻力為75.02t流阻力為流阻力為0.82t, 使用SESAM軟件計算漂移力系數，圖2為算例平臺的為算例平臺的為算例平臺的為算例平臺的水動力水動力模型,圖3為二階定常漂移力RAO, 波浪譜采用ITTC波譜，計算得到波浪阻力為33.8t, 因此最小拖帶力TPR=75.02+0.82+33.8=110t, 與此平臺操作手冊中規定的115t基本一致。 因此系柱, 因此，此平臺的拖曳設備應按此系柱拖力進行選型配備。

按表3規定的平靜海況、中等海況和惡劣海況分別計算平臺在不同拖航速度下的拖航阻力，計算結果如圖4所示。

此3種海況條件可基本涵蓋海上拖航環境，有了此3種拖航阻力曲線，平臺作業者可按第3節所述方法選擇拖船，進而可確定最終安全拖航速度。

表3 拖航的三種海況

圖2 水動力模型

圖3 漂移力RAO

圖4 拖航阻力曲線圖

通過對上述自升式鉆井平臺拖航阻力的計算驗證，可得到如下結論：一是風阻力在拖航阻力中占了較大比重，因此拖航中應盡量減少移動平臺的受風面積；二是拖航阻力隨拖航速度增加增長較快，因此拖航過程中應嚴格控制拖航速度，確保拖航安全；三是應根據實際拖航海域環境條件及平臺的阻力曲線，經濟、合理選擇拖船，既要避免“大馬拉小車”，又要避免拖輪拖力不足，遇到風浪，發生意外。