濱海核電冷源取水口攔污網網兜抽吸裝置工作船運動響應分析

付建明 王 濤 于廣錄 王 冰 閆 俊

（1.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001；2.大連鴻澤泵業有限公司，遼寧 大連 116036；3. 大連理工大學，海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

由于大量海生物的出現，核電站經常發生海生物和漂浮物進入冷源入水口的事件，從而造成核電廠冷源系統堵塞[1-2]。目前，核電站采用傳統“網兜攔截+人工海上漁船駁運清理”的方式來防護冷源系統，這種方式效率低且夜間作業風險高，會直接對核電站安全運行造成影響[3]。因此，遼寧某公司和大連某公司聯合設計、制造了一種冷源取水口攔污網網兜海生物抽吸裝置，將其安裝在工作船上，將被攔截入網兜的海生物和漂浮物輸送到海面，并運送至指定地點，代替傳統人工海上漁船駁運清理冷源入水口攔截網兜中海生物的作業方式，該裝置可以在設計工況下全天候、無間斷地開展清理作業，徹底解決人工海上漁船駁運清理存在的安全隱患，提高經濟效益，保障冷源安全。冷源取水口攔污網網兜抽吸裝置工作船在進行工作時，啟動錨機系統，拋錨索固定，將海生物切割裝置調整至工作狀態，連接網兜，即可在操作臺上按要求模式進行抽吸作業。因此，需要根據具體工作的海洋環境條件對工作船的運動響應進行分析，獲取關鍵位置的運動響應結果，評估其抽吸工作的安全性能。

1 工作船設計需求

1.1 工作海況條件

根據船體的對稱性，考慮風、浪和流環境荷載入射方向與船長方向的夾角為0°～180°（風、浪和流共向），如圖1所示。選取2 級海況波浪，3 級風風速，具體的環境參數值見表1。

圖1 工作船環境荷載入射方向

表1 作業工況環境參數

1.2 運動響應限制

工作船結構示意圖如圖2 所示。工作船能夠承載提升裝置、輸送泵系統、滿負荷為1 m3的過濾箱、錨機以及就地控制柜等設備和4 名操作人員，工作臺設計有4 個錨絞機和導纜孔，以保證工作船水下連接網兜位置處的耦合裝置的漂移范圍不超過1.5 m。

圖2 工作船結構示意圖

2 運動響應分析模型

根據工作船的運行情況，建立其對應的簡化運動響應分析模型，如圖3 所示。工作船會受到風、浪以及流環境的聯合作用。

圖3 工作船運動響應分析模型

2.1 環境荷載計算

2.1.1 波浪荷載

采用勢流理論對規則波作用下浮式結構物的輻射和繞射進行分析。假設浮式結構物所受的一階波浪力由波浪激勵力和輻射力組成，二者可以線性疊加。其中，波浪激勵力可看作是由入射力和繞射力組成的，輻射力是由浮式結構物運動引起的流體反作用力，由附加質量力和輻射阻尼力組成。

對受到簡諧波浪作用的浮式結構物來說，其周圍流場速度勢可以分解為入射勢、輻射勢和繞射勢3 個部分[4]，如公式（1）所示。

2.1.2 風荷載

對非超大型原油運輸船（Very Large Crude Carrier，VLCC）船型浮式結構來說，可以通過模塊法來計算風力和風力矩。根據API RP 2SK 規范[5]，風力計算如公式（2）所示。

式中：FW為風力；CW為風力系數；CS為構件形狀系數；Ch為構件高度系數；A為構件迎風面的垂向投影面積；VW為設計風速。

2.1.3 流荷載

對非VLCC 船型浮式結構來說，可以根據模塊法來計算流力和力矩。根據API RP 2SK 規范[5]，流力計算如公式（3）所示。

式中：FC為流力；CC為流力系數；Cd為拖曳力系數，對圓形單元取0.5，對平面單元，可參考圖 4 取值；Ac為水線面下圓柱形構件的投影面積總和；Af為水線面下平板構件的投影面積；Vc為來流速度。

圖4 平面單元的流力系數

2.2 時域耦合運動方程

浮式結構物在海上作業時會受到各種外界力的作用，通常包括風、浪以及流等所產生的海洋環境載荷和定位系統所產生的系泊力等，會導致浮式結構物產生6 個自由度的運動。浮式結構及其系泊系統總體運動如公式（4）所示[6]。

式中：x˙˙、x˙和x分別為浮式結構物的6 個自由度運動的加速度、速度和位移；M為浮式結構質量矩陣；Ma為附加質量矩陣；C為線性阻尼矩陣；K為靜水剛度矩陣；Fws為作用在浮式結構物上的平均波浪漂移力；Fwf為波頻力；Fsd為波浪低頻慢漂力；Fwind為風力；Fcurent為流力；Fmooring為系泊力。

3 計算結果與分析

3.1 水動力模型

首先，利用船體建造組立圖，通過三維建模軟件CATIA 建立工作船的三維質量模型，包括船體外殼、船體內部艙壁、船體內部型材以及船體駕駛室等，如圖5 所示。計算船體重心、質量以及轉動慣量等參數，結果見表2，其中，Gx、Gy和Gz分別為工作船重心的x坐標、y坐標和z坐標，坐標原點設置在船艉底部船中處，Ixx、Iyy和Izz分別為工作船對x軸、y軸和z軸的轉動慣量。

表2 清潔船質量、重心和轉動慣量

圖5 工作船三維質量模型

其次，采用ANSYS APDL 建立船體的幾何外形并剖分網格，得到船體的三維水動力模型，如圖6 所示。利用宏命令ANSTOAQWA將ANSYS 中的面元模型導為AQWA-LINE 的計算文件，采用AQWA-LINE 計算該船體的水動力參數。選取周期分布為3 s～20 s 的單位振幅的規則波作為荷載，考慮船體的對稱性，計算不同波浪入射角度（與X軸的夾角為0°、45°、90°、135°和180°）時該船體的水動力系數，部分水動力結果如圖7 所示。其中，圖7（a）～圖7（c）中繞射力包括不同頻率單位振幅規則波入射勢和繞射勢引起的作用力，圖7（d）～圖7（f）中RAO 表示不同頻率單位振幅規則波引起的浮體運動響應幅值。

圖6 工作船三維水動力模型

圖7 工作船水動力系數

3.2 時域響應

考慮表1 中的環境荷載以及圖1 中的不同入射方向，分析工作船重心位置縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖和艏搖6 個自由度位移響應。同時，分析工作船水下連接網兜位置處的位移響應，運動響應統計值見表3（0°方向環境荷載作用的結果如圖8 所示）。

從圖8 和表3 可知，工作船在系泊作業工況且入射角度不同的特定環境荷載作用下，其縱蕩自由度最大響應發生在環境荷載0°入射時，最大值為0.413 m；橫蕩自由度最大響應發生在環境荷載90°入射時，最大值為-0.433 m；垂蕩自由度最大響應發生在環境荷載90°入射時，最大值為0.319 m；橫搖自由度最大響應發生在環境荷載90°入射時，最大值為4.19°；縱搖自由度最大響應發生在環境荷載0°入射時，最大值為2.33°；艏搖自由度最大響應發生在環境荷載135°入射時，最大值為0.953°；環境荷載0°入射時，網口X向位移最大，為0.572 m；環境荷載90°入射時，網口Y向位移最大，為-0.653 m；網口Z向最大位移為0.488 m，發生在環境荷載90°入射時。

圖8 工作船位移響應（0 度方向環境荷載作用）

表3 作業工況的響應統計值

4 結論

對核電站冷源取水口攔污網網兜抽吸裝置工作船在系泊作業工況條件下的運動響應進行數值分析可以得出以下2個結論：1）建立的工作船運動響應計算模型可以準確計算整體裝置的響應并評估其設計安全。2）在給定的環境工況條件下，設計的工作船系泊狀態下能夠滿足水下連接網兜位置處的運動響應約束限制，保證整體裝置良好地運行。