半潛式起重鋪管船系泊系統設計

宋安科，何 寧，鐘文軍，蔡元浪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

系泊定位系統設計中需要考慮以下因素：設計準則，環境載荷的計算，系泊分析的方法，以及系泊設備的選取和配置等。

系泊系統的設備包括系泊絞車、導向輪、鋼絲繩和錨。設備的功能參數由船體在設計環境條件下所受的環境載荷所決定。

按照不同的分類依據，系泊系統分析的方法可簡單分為頻域分析和時域分析，耦合分析和非耦合分析，或者靜力分析和動力分析。本文所討論的系泊系統設計分析方法是非耦合的頻域動力分析方法，即船體運動和系泊纜運動分開考慮，不考慮兩者之間的耦合效應，系泊纜拉力計算中考慮了系泊纜的動力效應，系統響應使用了基于環境波浪譜的譜分析方法。

一般地，在工程類船舶整個生命周期內，系泊纜和錨等結構會經歷多次的拋錨和起錨操作，每次的作業期短則數天，長則數周，因此，這類船的系泊系統屬于臨時系泊系統，不需要進行疲勞分析。但船體上的導向輪及其支撐結構需要進行疲勞分析。對于系泊纜和錨，只需要進行結構強度校核。

本文主要討論了系泊系統設計中基于系泊纜強度分析的系泊纜尺寸的確定，以及系泊絞車和錨的選取。

1.3.3 1年后復發轉移情況和死亡情況評價 患者在治療過程中檢查患者的周圍淋巴結如胸壁、腋窩淋巴結和鎖骨上淋巴結是否有腫大等異常情況，從而確定是否有局部和區域淋巴結復發轉移的情況；定期進行影像學檢查，判斷腫瘤是否有全身轉移的情況，通過X線胸片檢查了解肺部轉移情況，通過腹部超聲和CT檢查，判斷是否具有肝轉移，此外還可以進行直腸指診，判斷是否有腹部轉移，懷疑有骨轉移時，可以進行骨掃描，判斷是否具有骨轉移，從而判定患者是否有腫瘤的遠處轉移；檢查患者的腫瘤標記物、激素、生化等指標，在隨訪過程中[7-10]，腫瘤標記物的升高，往往提示腫瘤的復發轉移。分析兩組患者復發轉移情況和死亡情況。

1 系泊系統設計方法

系泊設計中主要考慮兩個系統響應：船體的運動位移和系泊纜中的拉力。

系泊設計中把系泊系統對環境載荷的響應分為兩類：靜力響應和動力響應。其中，動力響應又分為低頻響應和波頻響應兩部分。波頻響應主要由一階波浪載荷引起；引起系泊系統低頻響應的包括風載荷和二階低頻波浪載荷。

1.1 設計準則

系泊系統設計的安全準則分為兩類：一種是以工作應力設計法(WSD)為基礎的(全局)安全系數法，美國船級社(ABS)和美國石油學會(API)的規范中即采用這種方法；另一種是挪威船級社(DNV)規范[1]所采用的局部安全系數法。

在局部安全系數法中，對平均環境載荷(靜力)效應和動載荷(動力)效應使用了不同的安全系數，并以利用率(系數)u為衡準，定義如下：

(1)

式中：SC為系泊纜的特征強度；TC-mean為系泊纜的特征平均拉力，來自預張緊力和平均環境載荷；TC-dyn為纜繩的特征動拉力，來自環境的低頻和波頻載荷；γmean和γdyn分別是平均拉力和動拉力的安全系數。

根據DNV規范[1]，在計算分析中極限工況(ULS)和失效工況(ALS)下對應不同的后果等級應使用不同的安全系數，如表1所示。根據系泊系統失效發生后所帶來的后果的嚴重程度，定義以下兩個后果等級：(1)等級1，系泊系統失效不太可能帶來不可接受的后果；(2)等級2，系泊系統失效很有可能帶來不可接受的后果。

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

*注：在平均拉力超過總動拉力的2/3時，安全系數均取1.3[1]。

1.2 系泊系統頻域動力分析方法

在頻域系泊分析中，系統響應將低頻和波頻部分分開考慮，即船體運動位移包括靜平衡狀態的平均位移、低頻運動位移和波頻運動位移；系泊纜拉力分為靜載荷下的平均拉力、波頻拉力和低頻拉力。系統的靜態響應是在環境平均載荷——包括風力、流力和平均波浪漂移力，以及[推進器輔助系泊(TAM)系統中的]推進器推力等——的共同作用下船體達到平衡狀態時的位移和對應的系泊纜拉力。

波頻運動響應通過由水動力分析得到的波頻運動傳遞函數來計算運動響應譜：

(2)

進而得到運動的標準差。位移標準差為

(3)

速度標準差為

(4)

(5)

(6)

低頻運動響應需要通過求解低頻運動方程

(7)

得到傳遞函數矩陣

(8)

進而得到運動響應譜矩陣

(9)

(10)

式中：FLF為低頻環境作用力；M為質量矩陣(包括附加質量)；K為剛度矩陣；低頻非線性阻尼矩陣C需經過隨機線性化處理。低頻運動的有義值可以按照高斯過程假設計算，即

(11)

(12)

但低頻運動的極值不能按照高斯過程假設計算，需要按照適用于非高斯隨機過程的Stansberg方法[4]計算得到：

(13)

最后，按照通常的方法[1]，通過疊加波頻和低頻以及平均位移得到船體運動的總最大位移，即取下式計算中較大的結果：

(14)

系泊纜拉力的動力分析使用了一種簡化的解析模型[3]，將系泊纜的多自由度運動簡化為一個等效的單自由度運動方程來描述：

(15)

由等效運動方程可以得到由頂點(導纜器處)沿系泊線切向的運動位移xt到等效位移u的傳遞函數，以及由xt到系泊纜內動態拉力TD的傳遞函數：

(16)

(17)

然后，可以得到等效位移和動拉力的方差及其時間導數的方差：

(18)

(19)

最后，系泊纜動態拉力的最大值可以按照Stansberg方法計算得到。

2 系泊系統設計方法的應用

深水鋪管起重船(以下簡稱本船)是海洋石油工程股份有限公司自主設計的一條用于深水平臺的鋪管和起重作業的六立柱半潛式工程船。本船船長約180m，船寬98m，作業吃水37m，配備有最大水深3000m的J型鋪管系統和兩臺6000t的起重機。在其設計任務書中對定位系統的功能要求是：在水深小于300m水域進行起重作業時使用系泊系統進行定位，在其他情況下使用動力定位系統進行定位。

定位系統的功能需求是：在待機環境條件下，動力定位系統應滿足迎風浪條件下的定位能力需求，系泊定位系統應滿足完整工況和單項失效工況下的設計準則要求。關于動力定位系統的設計另文詳述，本文只討論頻域動力分析方法在系泊定位系統設計中的應用。

2.1 設計環境條件與定常環境載荷

根據設計任務書，本船的系泊設計中需要考慮的設計環境條件的參數如表2所示。其中，波譜取JONSWAP譜，譜峰系數γ取平均值3.3。

風和流引起的定常環境載荷使用由風洞試驗測得的風載荷系數和流載荷系數計算得到。波浪引起的平均波浪漂移載荷可以用由水動力分析得到的平均波漂力系數計算得到。用懸鏈線理論的靜力分析方法即可得到在定常環境載荷作用下的系統響應。

表2 系泊系統的設計環境條件Table 2 Environmental conditions for mooring system design

2.2 系泊分析結果

按照上文所述方法進行頻域系泊動力分析，最終確定系泊纜全部采用直徑96mm的鋼絲繩，計算中用到的其他系泊纜參數如表3所示。系泊系統的布置方式如圖1所示。

表3 系泊纜參數Table 3 Mooring line parameters

圖1 系泊系統布置圖Fig.1 Mooring system layout

在系泊分析中，考慮到系統和船體的對稱性，僅考慮了0°～180°的環境方向，且僅考慮了300m水深下風浪流同向的情況。每根系泊纜的頂部初始拉力均為600kN。

根據DNV規范的設計準則，本船的系泊系統在起重作業工況下按照等級2的準則進行核準，在起重待機工況下按照等級1的準則進行核準。

系泊分析的結果表明，在起重作業環境下，所設計的系泊系統滿足規范對完整工況(即ULS)和單纜失效工況(即ALS)的安全衡準；但是，在待機環境條件下，由于環境載荷比作業環境更大，系泊系統在絕大多數環境方向下不能同時滿足規范對ULS和ALS的安全準則要求，因此，需要考慮開啟TAM系統進行定位。

2.3 TAM系統系泊分析結果

在TAM系統的設計分析中使用了簡化的分析方法：平均載荷折減法，即在計算分析中沒有考慮DP控制系統的剛度和阻尼對船體運動動力分析的影響。而且，推進器系統的推力僅用于平衡環境的平均力，不考慮對環境艏搖力矩的平衡，即推進器系統不用于艏向控制。

根據總布置圖，本船配置12臺4500kW全回轉推進器，每臺推進器能提供的最大推力為780kN，推進器總功率54MW，能提供的最大推力為9360kN。分析中考慮了10%的推力折減，所有推進器可提供的最大推力合力是780×0.9×12=8424kN，可以覆蓋大部分方向的待機環境下的平均靜載荷。

對于推進器輔助定位系統，單項失效工況(即ALS)需要考慮兩種情況：單纜失效和推進器系統失效。推進器系統的失效包括單臺推進器的失效、控制系統故障、動力系統故障等。本文中，僅保守地考慮了后果最嚴重的(全船失電)情況下推進器推力全部損失作為推進器系統失效工況。

分析結果表明，在待機環境條件下，開啟TAM系統后，所設計的系泊系統可以同時滿足規范對ULS和ALS的安全準則要求。完整工況下，在最危險的環境方向，推進器系統至少需要提供30%推力才能滿足安全準則要求。在單纜失效的情況下，在最危險的環境方向，推進器系統至少需要提供60%推力才能滿足安全要求。在最保守的推進器系統失效工況下，所有方向下所有系泊纜的利用率均小于1，滿足設計衡準。

出于安全的考慮，建議依據系泊纜拉力監測的結果，在系泊拉力大于447t[約為最小破斷拉力(MBL)的61%]時開啟推進器系統進行輔助系泊定位。

作為一條具備自航能力的工程船，本船沒有考慮取得DNV的POSMOOR船級符號，設計工況沒有考慮自存工況(北大西洋百年一遇環境)，因此，當環境條件比待機環境更惡劣時，應提前準備駛離惡劣海況的海域，若不能及時收回系泊纜，應啟動絞車的緊急釋放裝置，棄纜駛離。

2.4 系泊設備選取

根據系泊分析的結果，起重作業時，單纜失效工況下系泊纜承受最大的拉力，在最危險環境方向下，系泊纜頂部拉力最大值為5984.9kN，錨端受力最大值為5771.6kN，躺底纜長度為303.34m，錨端沒有上拔力。因此，根據規范[5]要求，需要配置承載力至少為589t的錨和剎車載荷至少為610t的絞車。

3 結 語

使用頻域動力分析方法對一艘半潛式工程船進行系泊系統分析與設計。對于船體的波頻運動，由水動力分析得到運動傳遞函數，而對于低頻運動，則通過求解運動方程得到傳遞函數，然后按照窄帶高斯隨機過程假設計算有義值和最大值；系泊纜運動簡化為單自由度等效模型，并由運動方程得到動拉力的傳遞函數，按照窄帶高斯隨機過程假設計算有義值，用Stansberg方法計算最大值。

所設計的系泊系統滿足DNV規范的局部安全系數法的安全準則要求，在待機環境下，需要開啟推進器輔助系泊系統，使用保守的簡化分析方法考慮推進器系統的效應進行頻域系泊動力分析。

[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.