半潛式起重鋪管船出塢拖航阻力分析

孫士龍，徐善輝，劉廣輝，楊 濤，莊宏昌，王程臨

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

0 引 言

半潛式起重鋪管船出塢指的是在船塢內浮起后在船塢設施和拖輪控制下，從船塢中拖至碼頭的全過程。由于不同船廠的船塢條件、位置環境等因素不同，因此出塢方式也不可能完全相同。由于各廠的條件不同，平臺在出塢時必須充分考慮船舶受到的風、浪、流等環境載荷的影響。要保證平臺安全出塢，拖航阻力的計算是需要重點解決的問題。

拖帶船舶在拖航過程中，將受到風、流等因素的影響，該力的作用方向與船舶前進方向相反，即船舶阻力。對于一般船舶而言，船舶本身可以提供推力克服摩擦力，而對于無動力船舶而言，需要依靠拖輪提供的推力來克服摩擦力。對于不同航速、不同種類的船舶，其所需的拖航力是不同的，對于拖輪而言，在不同航速、不同海況下所能提供的實時拖力也是不相同的。一般而言，拖航速度為“0”時，拖輪可提供的拖力最大，即拖輪的系柱拖力；隨著航速的提高，拖輪可提供的拖力呈線性下降。

本文分析了三種拖航阻力的計算方法，即基于經驗公式的計算方法，基于風、流動力模型的計算方法，以及基于《海上拖航指南》的計算方法，并采用這三種方法進行計算分析，以幫助制訂半潛式起重鋪管船出塢的拖航方案。

1 拖輪拖航阻力的計算方法

1.1 基于經驗公式的拖航阻力計算

在拖航過程中，按照拖航阻力的性質可以分為基本阻力R0和附加阻力RΔ兩部分，拖航系統的總阻力為拖輪的總阻力與被拖船舶總阻力之和。下面介紹被拖船舶總阻力的計算方法，拖輪阻力的計算方法參照被拖船舶阻力的計算方法。

1.1.1基本阻力

基本阻力R0分為摩擦阻力Rf和剩余阻力RB，其計算公式如下：

Rf=1.67A1V1.83×10-3，

(1)

RB=0.147δA2V1.74+0.15v，

(2)

式中：A1為船舶浸水面積，m2，根據船舶吃水可以在船舶資料中可以查到，如無資料可以參照公式A1=0.92L(B+1.81d)計算，L為船長，B為船舶型寬，d為船舶吃水；V為拖航速度，kn；δ為船舶方形系數；A2為水線下最大橫截面積，m2，A2=BdCm，Cm為船中剖面系數。

1.1.2附加阻力

附加阻力RΔ的計算公式為

RΔ=Rw+R1+R2+R3,

(3)

式中：Rw為空氣阻力，其計算公式為

Rw=1.6488A3(Vw+V)2×10-4；

(4)

R1，R2，R3分別為船舶的附體阻力、污底阻力、洶濤阻力，其大小僅占船舶空氣阻力和基本阻力之和的2%～4%。

1.2 基于風、流動力模型計算拖航阻力

1.2.1風動力

風動力FW計算公式為

FW=δ×q×A,

(5)

橫向風力

FyW=δ×q×Ay;

(6)

縱向風力

FxW=δ×q×Ax.

(7)

1.2.2水流力

水流力FC計算公式為

FC=CdρAV2/2,

(8)

式中：Cd為水阻力系數[2]；ρ為海水密度；A為受流投射面積，m2；V為計算水流速度，m/s。

橫向水動力

(9)

縱向水動力

(10)

1.2.3拖航阻力

橫向風流合力按下式計算[3]：

(11)

縱向風流合力按下式計算：

(12)

在拖帶過程中必須滿足以下條件：

Tx≥∑Fx；Ty≥∑Fy，

(13)

式中：Tx為拖輪拖帶時提供的橫向總拖力；Ty為拖輪拖帶時提供的縱向總拖力。

1.3 基于《海上拖航指南》的拖航阻力計算

1.3.1水流阻力

根據《海上拖航指南》[1]，海上拖航的總阻力∑R可按以下經驗公式計算：

∑R=1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)](kN)，

(14)

式中：Rf為被拖船的摩擦阻力，kN；RB為被拖船的剩余阻力，kN；Rft為拖輪的摩擦阻力，kN；RBt為拖輪的剩余阻力，kN。

被拖船或被拖物的阻力按如下近似方法確定：

Rf=1.67A1V1.83×10-3(kN)，

(15)

RB=0.147δA2V1.74+0.15v(kN),

(16)

式中：A1為船舶或水上建筑物的水下濕表面積，m2；V為拖航速度；A2為浸水部分的船中橫剖面積，m2。

1.3.2風阻力計算

對于受風面積特別龐大的半潛式鉆井平臺或其他水上建筑，其拖航阻力還應按下式計算[4]，取較大值：

∑R=0.7×(Rf+RB)+Ra,

(17)

式中：Ra為空氣阻力，kN，計算式為

Ra=0.5×ρ×V2×∑Cs×Ai×10-3,

(18)

式中：ρ為空氣密度，取1.22kg/m3；V為風速，取20.6m/s；Ai為受風面積，m2，按頂風狀態計算；Cs為受風面積Ai的形狀系數。

2 起重鋪管船出塢阻力及系纜力計算

根據前面介紹的三種計算方法分別針對某半潛式起重鋪管船出塢阻力進行計算。平臺的主尺度參數為：船長114.07m；船寬78.68m；總高約110m；空船吃水約6.6m；排水量30485t；設計吃水7m；浮箱長114.07m，寬20.12m，高8.54m。方形系數δ取0.9；受風面積取4919.98m2；拖航速度1kn。

2.1 基于經驗公式的拖航阻力計算

根據1.1.1中的公式，算得水下濕表面積

A1=0.92L(B+1.81d)
=0.92×114.07(20.12+1.81×7)
=3441m2;

船中橫剖面積

A2=Bd=20.12×7=141m2

于是可得

Rf=1.67A1V1.83×10-3
=1.67×3441×0.511.83×10-3
=1.68kN，RB=0.147δA2V1.74+0.15v
=0.147×0.9×141×0.511.74+0.15×0.51
=5.49kN.

基本阻力

∑R=Rf+RB=1.68+5.49=7.17kN.

另外，空氣阻力

Rw=1.6488A3(Vw+V)2×10-4
=1.6488×4353.7×(0.51+20.6)2×10-4
=319.89kN.

考慮船舶的附體阻力、污底阻力、洶濤阻力，按船舶空氣阻力和基本阻力之和的4%計算，于是有

R=R0+RΔ
=7.17+319.89+0.04×(7.17+319.89)
=340.14kN.

2.2 基于風、流動力模型計算拖航阻力

根據風、流動力模型的阻力計算公式，平臺在拖航過程中，主要的拖航形式為吊拖，所以計算風、流均作用于船長方向的極端情況，算出最大的拖航力。風動力

水流力

FC=CdρAV2/2
=0.15×1.025×141×0.52/2=2.70kN.

最大的拖力

T=FW+FC=1019.28+2.70=1021.99kN.

2.3 基于《海上拖航指南》拖航阻力計算

被拖船的摩擦阻力

Rf=1.67A1V1.83×10-3
=1.67×3441×0.511.83×10-3=1.68kN;

被拖船的剩余阻力

RB=0.147δA2V1.74+0.15v
=0.147×0.9×141×0.511.74+0.15×0.51
=5.49kN.

海上拖航的總阻力

∑R=1.15(Rf+RB)
=1.15×(1.68+5.49)=8.24kN.

半潛式起重鋪管船受風面積特別龐大，受風面積包括上船體、立柱、甲板包、鉆井塔、起重機等。其拖航阻力還應按式(17)計算。根據表1所示受風面積與開關系數，求得空氣阻力

Ra=0.5×ρ×V2×∑Cs×Ai×10-3
=0.5×1.22×20.62×4919.98×10-3
=1274kN.

表1 受風面積與形狀系數Table 1 Wind areas and shape factors

根據式(17)求得總的拖航阻力

∑R=0.7×(Rf+RB)+Ra
=0.7×8.24+1274
=1279.77kN.

2.3 拖航阻力計算結果分析

綜合比較三種不同方法的計算結果，基于經驗公式計算拖航阻力為340.14kN，基于風、流動力模型計算拖航阻力為1021.99kN，基于《海上拖航指南》計算拖航阻力為1279.77kN。考慮到平臺拖航的安全因素，選結果較大的作為最終的拖航阻力，為1279.77kN，約相當于132t。

根據上述結果計算最低要求的系柱拖力。拖輪有效輸出拖力等于拖輪系柱拖力的75%，其值應大于132t。因此，拖輪馬力應大于132/0.75=176t。

3 結 語

船舶運動時主要受風、浪、流等外載荷的作用。同時，船舶出塢可以避開大風浪的惡劣天氣。本文通過分析三種計算方法，詳細敘述船舶出塢計算分析及要點，對船舶在出塢時的環境條件做定量分析，有助于制訂正確、合理的出塢方案，配備合理的出塢設備，最終實現半潛式起重鋪管船出塢的經濟、合理和安全。

[1] 中國船級社.海上拖航指南[S].2011.

China Classification Society.Guidelines for Towage at Sea [S].2011.

[2] 交通運輸部.JTS 144-1—2010.港口工程荷載規范[S].2010.

Ministry of Transport.JTS 144-1—2010.Load code for harbour engineering [S].2010.

[3] 杜慶貴,馮瑋,宴紹枝,等.半潛式鉆井平臺不同形狀浮箱拖航阻力研究[J].中國海洋平臺,2013,28(2)：39.

Du Qing-gui,Feng Wei,Yan Shao-zhi,et al.The research to the towage resistance of the pontoons with different shapes of a semi-submersible drilling platform [J].China Offshore Platform,2013,28(2)：39.

[4] 李冉.張力腿平臺出塢助浮關鍵技術研究[D].大連：大連理工大學,2016：59-70.

Li Ran.Research on aided floating technology during TLP undocking and towing [D].Dalian：Dalian University of Technology,2016：59-70.