“長大海升”起重船航行錨系統改造方案分析與錨泊定位能力校核

余立志，陳永青，彭小亮，李宏權，陳明勝，苑桂博

(1.保利長大工程有限公司港航分公司，廣東 中山 528400；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

廣東陽江風電項目所在海域水深大、無遮擋、風級涌浪大，“長大海升”號起重船現有航行錨泊系統在錨機功率、錨鏈直徑及抓地力等方面無法滿足陽江海上風電施工的要求，因此需要對起重船的航行錨泊系統進行改造升級。

海洋工程船舶錨泊系統的改造設計研究中有學者對打樁船的四點錨泊系統進行試驗，發現增加錨鏈的預張力和船舶吃水可以有效減小船舶的搖擺運動。數值方法上，國際和國內目前普遍采用間接時域方法分析系泊船體的耦合動態響應問題，通過間接時域方法對錨泊系統改造升級后船舶的定位能力進行了研究；通過準靜態與時域動力分析方法對鋪管起重船錨泊定位系統進行設計研究。商業軟件的使用提高了錨泊系統分析的效率，有學者結合Hydrostar等水動力軟件和Ariane7以及HARP對深水鉆井船的錨泊系統進行優化設計；有學者則使用ANSYS-AQWA對FPSO系泊系統進行初步設計并進行時域計算和指標校核。本文主要對航行錨系統改造方案進行分析，采用基于勢流理論的邊界元方法，借助水動力分析軟件ANSYS-AQWA對“長大海升”號起重船進行水動力計算，基于水動力分析結果，采用間接時域分析方法分析指定海況下錨泊系統改造前后起重船的錨泊定位能力，基于規范對錨泊能力進行校核分析，分析錨泊系統改造方案的可行性，并對環境參數進行敏感性分析。

1 理論基礎

1.1 間接時域耦合分析

建立2個坐標系，見圖1。固定坐標系-，隨船坐標系-，其中-面與靜水面重合，-軸正方向指向船艏。

圖1 坐標系示意

根據線性勢流理論假設，流場中的速度勢滿足下面控制方程。

(1)

J()d+2π·

(2)

根據Green定理推導繞射勢和輻射勢。

(3)

式中：為固角函數。引入船體濕表面源分布，并結合船體濕表面邊界條件，由此得出速度勢和源強度，分別為

(4)

(5)

獲得速度勢后，使用伯努利方程得到船體上的壓力，將壓力在濕表面積分得到作用在船體上的波激力和輻射力。獲得以上參數后，采用文獻[8]提到的船舶頻域運動方程求解頻域響應。

(6)

基于頻域計算結果，通過逆傅里葉變換，建立以Cummins方程為基礎的系泊船舶時域耦合運動方程。

()=()+()

(7)

式中：(∞)為浮體無窮大頻率附加質量矩陣；()為脈沖響應函數(IRF)，可根據水動力系數采用傅里葉變換得到；()為波激力，N；()為其他外載荷，如風載荷、流載荷、系泊力等，N。通過求解時域耦合運動方程求得系泊纜索的瞬時張力和臥底長度。

1.2 錨泊能力校核方法

API RP 2SK規范指出，船舶漂移、錨鏈張力、錨鏈長度以及錨承載力等是系泊系統的設計指標。ABS提供了更易使用和參考的可接受準則——錨承載能力校核標準。

選取錨鏈張力和錨系留力2個校核指標、采用基于AQASY-AQWA仿真計算的系泊能力分析方法進行校核。

錨鏈懸鏈及受力見圖2。

圖2 錨鏈懸鏈與受力示意

假設海底是水平的，錨鏈孔到海底的距離為，重力錨在點處，為錨鏈在海底的臥鏈長度，為錨鏈上端總張力，由懸鏈線方程可求得錨鏈水平分力，即錨受到的水平力。

=-

(8)

式中：為錨鏈線沿平行方向分力，N；為錨鏈張力，N；為錨鏈線的單位濕重，N/m。

錨鏈系統提供的最大平行錨泊系留力為

=+=+

(9)

式中：為錨的系留力，N；為錨的抓力系數；為對應錨鏈的系留力，N；為錨鏈的抓力系數，一般錨鏈在不同地質中的抓力系數遠較錨的抓力系數低，可取0.75～1.50，通常取0.75；為錨的重量，N；為錨鏈單位長度的重量，N/m。

使用ANSYS-AQWA求解出系泊纜張力和臥底錨鏈長度，帶入式(8)和式(9)，求出錨鏈系統所提供的最大平行錨泊力。為防止錨鏈破斷和走錨，需要滿足以下安全條件。

(10)

(11)

式中：和分別為錨鏈和錨的安全系數，根據API規范中的設計準則，分別為1.67和0.80。MBS為錨鏈最小破斷力，和分別為錨鏈張力和錨系留力許用值。

2 航行錨系統改造

“長大海升”號是1艘非自航雙臂變幅式起重船，適用于我國沿海及近海的大型結構的吊運、安裝。如圖3a)所示。船長、型寬、型深和設計吃水分別為110、48、8.4、4.8 m。原船首尾設有8只AC-14錨作為工作錨，每只錨重10 t，用于船舶起重作業時的系泊定位。原船尾部設有2只斯貝克錨作為航行錨，每只錨重7 350 kg，用于船舶的臨時錨泊及在作業海域的就地抗風，航行錨甲板布置圖如圖3b)。

圖3 “長大海升”號起重船作業及布置示意

為了提高船舶在深遠海就地拋錨抗風能力，需要對航行錨系統進行改造，主要改造方案是選擇抓力系數大的大抓力錨、改換錨機、增大錨鏈的直徑和長度,以及更換相關的設施。為了更加高效且準確的分析，根據改造方案與校核方法，對方案進行了簡化，表1展示了計算校核中所考慮到的改造參數。

表1 改造前后航行錨系統相關參數

3 環境條件與建模

3.1 環境條件

錨泊系統改造前，原船在風力≤蒲氏10級時，可就地拋錨抗風；當風力>蒲氏10級時，需進港避風。錨泊系統改造后，要求“長大海升”號在水深50 m、蒲氏14級風、波高2.0 m、流速1.5 kn的海況條件下安全拋錨抗風。首先對要求的海況進行計算校核，同時為了探求改造后的起重船的拋錨抗風能力對環境參數的敏感性，選取表2所列環境參數進行計算并校核。

表2 計算環境參數

3.2 計算模型

使用ANSYS-DM和AQWA建立重船邊界元模型。綜合考慮計算效率和計算精度，選取1.2 m的網格尺寸，起重船水動力分析元模型見圖4。頻域計算頻率范圍是0.05～2.50 rad/s，計算步長0.05 rad/s。

圖4 “長大海升”號邊界元模型

時域計算選擇JONSWAP波浪譜，譜峰值參數=3.3，并施加定常風和定常流，其他參數見.。根據表1中的錨泊系統參數，使用AQWA中的Nonlinear Catenary模型建立錨泊系統。針對“長大海升”號航行錨抗風就位的工況，選擇平行錨泊方式在工作海域就位抗風。一般情況下，由于錨鏈較長，為了防止船舶轉動造成錨鏈的碰撞磨損，僅使用一只航行錨進行錨泊定位，即單點平行錨泊。分別對改造前后的兩種錨泊方式進行建模，時域模型見圖5。

圖5 計算模型

4 錨泊系統校核分析

采用間接時域耦合方法對錨泊系統進行仿真計算，起重船使用平行錨泊方式時會隨風漂移，因此重點關注錨泊系統的受力。

4.1 錨泊方式分析

對臨時拋錨抗風工況下的“長大海升”號設定要求的最大環境條件，波浪周期為12 s。計算航行錨系統在不同錨泊方式下的錨鏈張力和海底臥鏈長度，部分時間序列結果見圖6和圖7。

圖6 兩點平行錨泊系統時域響應曲線

圖7 單點平行錨泊系統時域響應曲線

可以看出：改造前后錨鏈張力的隨時間變化趨勢是一樣的，但是張力大小并沒有太大差別，而改造后的臥鏈長度明顯大于改造前的值，這是由于改造后錨鏈的直徑、錨鏈質量和錨鏈長度的增大。

圖7結果表明在單點平行錨泊方式下，改造前錨鏈張力極值要略微大于改造后的，改造后的臥鏈長度大于改造前的。

對錨泊系統進行校核時，錨鏈張力最大值和臥鏈長度最小值是主要參數，對每次計算得到的這2個參數進行統計得到表3，根據上文提到的校核方法進行校核。

表3 不同工況下響應統計

從表3中可以得出，改造前后錨鏈張力計算值都小于許用值，改造前的單點平行錨泊的錨鏈張力更接近許用值；改造前錨受到的最大水平力大于錨泊系統提供的系留力許用值，不安全；而改造后的兩種錨泊方式下錨受到的水平力都小于錨系留力許用值，是安全的。可見改造后的錨泊系統在給定的海洋環境下，12 s的波浪周期中可以安全拋錨定位。而改造后明顯比改造前的臥鏈長度大的原因很可能是由于改造后錨鏈長度增大了110 m。

4.2 參數敏感性分析

探討風級和波浪周期對起重船錨泊系統的影響規律，選取海況見表2，其他參數和上文相同，計算各海況下的錨鏈張力和海底臥鏈長度，并對每種海況下起重船的錨泊能力進行安全性校核。

對不同海況下錨泊起重船進行時域計算，得到錨鏈張力最大值和臥鏈長度最小值，根據不同的風級和波浪周期繪制圖8。

圖8 不同環境下錨鏈張力和臥鏈長度極值統計

從圖8中看出風級相同時，波浪周期越大，錨鏈張力越大，臥鏈長度越小。當波浪周期相同時，風級越大，錨鏈張力越大，伴隨著臥鏈長度減小。可以看出，單點平行錨泊方式下，錨泊系統的錨鏈張力和臥鏈長度與波浪周期以及風級密切相關。

前文得知單點水平錨泊方式的錨鏈張力許用值為3 090 kN，由圖8可知錨鏈張力滿足安全要求。隨后進行錨系留力安全校核，錨受到的最大水平力以及錨系留力的許用值見表4。

表4 響應極值統計與校核表 kN

通過校核可知，隨著海況降低，錨受到的最大水平力有減小的趨勢，同時錨泊系統提供的系留力有增大的趨勢，在所考慮的海洋環境中都可以安全拋錨定位。

5 結論

1)在同時校核錨鏈張力和錨泊系統系留力的前提下，航行錨改造前起重船無法在給定海洋環境下安全拋錨定位，而改造后的起重船使用兩點平行錨泊或單點平行錨泊方式都可以安全拋錨定位。

2)根據實際施工經驗，在給定的環境條件甚至更低的海況下，建議使用單點平行錨泊方式。

3)在本文所考慮的環境條件下，錨鏈張力隨著風級或波浪周期的增大而增大，臥鏈長度則會減小，安全性會降低。

限于使用工具以及高效計算，沒有對改造方案中所有設備進行模擬，結論的精確性有待進一步探討；另外，基于控制變量法的錨泊系統參數優化設計和更大范圍海況和水深中起重船最大抗風定位能力有待進一步分析。