大型海洋平臺(tái)出江方案設(shè)計(jì)

賈 君，程正華，陳伶翔，吳鋒鋒

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

隨著國(guó)家不斷推進(jìn)深遠(yuǎn)海大型裝備的研制，越來越多船廠開始承建大型海上裝備。由于受到長(zhǎng)江水深的限制，大型海工裝備的建造基地大都分布在沿海地區(qū)。長(zhǎng)江內(nèi)河船廠以建造小型船舶為主，難以為大型海洋裝備提供出江方案[1]。為給內(nèi)河船廠提供技術(shù)支持和解決方案，本文基于某大型半潛起重平臺(tái)，結(jié)合長(zhǎng)江出海口的水深信息，設(shè)計(jì)濕拖、浮拖和干拖等3 種拖航方案。對(duì)各方案實(shí)施過程中的限制條件進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)出江方案。

1 出江限制條件

大型海工裝備出江的限制因素主要包括平臺(tái)吃水、出江時(shí)的氣象條件、拖航路線上各航段的水深，以及相應(yīng)時(shí)間段的潮汐情況。在拖航時(shí)需要保證整個(gè)過程中海況良好[2]。在分析吃水時(shí)，需要結(jié)合拖航路線上的水深信息和潮汐情況。

長(zhǎng)江口水域的最淺水深位于九段航道，只要滿足該航段的吃水要求，就能滿足長(zhǎng)江口水域的正常通航[3]。九段航道被九段沙分隔為北槽航道和南槽航道。北槽航道的水深較深，最小泥面標(biāo)高為12.5 m，設(shè)計(jì)高潮位為4.0 m，基本能滿足所有大型平臺(tái)的吃水要求。然而該航道船只較多，航道較窄，最窄寬度僅有350.0 m，在拖航大型海洋平臺(tái)時(shí)需要暫時(shí)封閉航道供其通航。南槽航道較寬，水深較淺，最小泥面標(biāo)高為4.8 m，設(shè)計(jì)高潮位為4.0 m，最大吃水為8.3 m。

本文研究的海洋平臺(tái)為大型半潛式起重平臺(tái)，平臺(tái)的主尺度見表1。由于海工平臺(tái)在空載狀態(tài)下的最小正浮吃水為10.5 m，超過南槽航道的最大吃水，故需要通過增加浮力的方式減少平臺(tái)吃水。

表1 大型半潛式起重平臺(tái)的主尺度

2 出江方案設(shè)計(jì)

2.1 濕拖（北槽）

長(zhǎng)江北槽航道的水深較深，吃水較大的海洋平臺(tái)和船只可直接在該航道中航行。在靜水中拖航大型半潛式起重平臺(tái)，當(dāng)拖航速度為5 kn 時(shí)，產(chǎn)生的阻力為1 850 kN；在標(biāo)準(zhǔn)海況（風(fēng)速20 m/s；有義波高5 m；流速0.5 m/s）下，保持航向所克服的阻力為1 880 kN[4]。根據(jù)阻力計(jì)算結(jié)果，上海打撈局能滿足條件的拖輪僅有“德深”號(hào)。根據(jù)挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）相關(guān)指南，拖輪在波浪中的有效系柱拖力系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：Te為有效系柱拖力系數(shù)；Lpp為拖輪總長(zhǎng)；Bp為系柱拖力；Hs為有義波高。

不同環(huán)境條件下拖航阻力校核情況見表2，有 效系柱拖力滿足拖航要求。

表2 不同環(huán)境條件下拖航阻力校核情況

由于海洋平臺(tái)的左右浮箱不對(duì)稱，故其在拖航時(shí)存在偏航力和偏航力矩。為保持平臺(tái)航向不變，在平臺(tái)的左右舷各布置2 艘小拖輪以克服平臺(tái)因不對(duì)稱產(chǎn)生的偏航，見圖1。

圖1 拖航布置圖

2.2 浮拖（南槽）

長(zhǎng)江南槽航道的最淺水深為4.8 m，最大潮位為4.0 m，漲潮期間水深為8.0 m。由于海工平臺(tái)在空載狀態(tài)下的最小正浮吃水為10.5 m，超過南槽航道的最大吃水，如需從該航道出江，則必須增加平臺(tái)浮力或減少空船質(zhì)量。由于減少空船質(zhì)量會(huì)破壞船體結(jié)構(gòu)，故采用增加浮力的方式來減少吃水。

半潛船增加平臺(tái)的浮力，將2 艘駁船作為半潛船與半潛式起重平臺(tái)間的支撐構(gòu)件（見圖2），在駁船頂部甲板鋪滿木塊，將半潛式起重平臺(tái)的載荷均勻傳遞到半潛船上，并利用半潛船的自身動(dòng)力駛出長(zhǎng)江。在拖航期間，半潛式起重平臺(tái)和半潛船相對(duì)靜止，但系統(tǒng)的穩(wěn)性、水動(dòng)力特性、航行時(shí)的偏航力和偏航力矩等都均發(fā)生較大變化。為保證該方案在拖航時(shí)的安全性，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)性、水動(dòng)力性能進(jìn)行單獨(dú)校核。

圖2 半潛船示意圖（單位：mm）

2.2.1 穩(wěn)性分析

在拖航前，查詢未來24 h 或72 h 的氣象信息，并選擇天氣較好的時(shí)段進(jìn)行拖航。依據(jù)美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）相關(guān)規(guī)范對(duì)整個(gè)拖航系統(tǒng)的穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算和校核。在校核過程中，結(jié)合拖航期間實(shí)際天氣條件，選取風(fēng)速13.8 m/s（蒲氏6 級(jí)）進(jìn)行計(jì)算。拖航系統(tǒng)滿足ABS 的相關(guān)要求[5]。

2.2.2 偏航力和偏航力矩分析

由于海洋平臺(tái)的左右浮箱不對(duì)稱，故其在拖航時(shí)存在偏航力和偏航力矩。為保證方案的可行性，采用WAMIT 軟件分析拖航系統(tǒng)的偏航情況。假設(shè)拖航時(shí)Hs=5 mm，則拖航系統(tǒng)在不同航速和艏浪方向下的偏航平均距離見表3。在航速為4 kn 時(shí)，拖航系統(tǒng)的平均偏航距離為20.4 m，需要使用半潛船自身產(chǎn)生的動(dòng)力來克服偏航。使用Star CCM+軟件對(duì)該系統(tǒng)在航速6 kn 情況下的水動(dòng)力進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表3 拖航系統(tǒng)的偏航平均距離

表4 拖航系統(tǒng)水動(dòng)力分析

由表4 可知，在來流方向?yàn)?35°和225°時(shí)，該系統(tǒng)的橫向力和偏航力矩較大。若采用該方案進(jìn)行拖航，為保持較好的操縱性，須時(shí)刻保持拖航方向與水流方向一致，這對(duì)拖航指揮有較高的要求。

2.2.3 強(qiáng)度分析

采用浮拖的方式出江，半潛平臺(tái)雙層底甲板會(huì) 承受120 000 kN 的垂直向上的托力，而雙層底在設(shè)計(jì)初期并未考慮受到這樣一種載荷。為防止在拖航過程中平臺(tái)因受力過大出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損或者產(chǎn)生較大塑性變形，需要分析平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。半潛式起重平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果及應(yīng)力云圖分別見表5 和圖3。雙層底的強(qiáng)度滿足本次拖航的要求。

圖3 半潛式起重平臺(tái)應(yīng)力云圖

表5 半潛式起重平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

2.3 干拖

干拖方案將大型半潛平臺(tái)當(dāng)作貨物，通過半潛運(yùn)輸船將其運(yùn)出長(zhǎng)江。目前國(guó)內(nèi)的半潛運(yùn)輸船主要“泰安口”號(hào)、“康盛口”號(hào)、“祥云口”號(hào)、“祥安口”號(hào)等，其具體參數(shù)見表6[6]。

表6 半潛運(yùn)輸船主要參數(shù)

本平臺(tái)的空載質(zhì)量為25 000 t，多條半潛運(yùn)輸船均可滿足要求。為提高運(yùn)輸船的效率、降低運(yùn)輸成本，在出江時(shí)選擇“致遠(yuǎn)口”號(hào)進(jìn)行運(yùn)輸。

3 出江方案評(píng)估

1）濕拖方案

拖航期間半潛式起重平臺(tái)的穩(wěn)性、水動(dòng)力性能，以及拖輪的穩(wěn)性均可通過查閱船級(jí)社批準(zhǔn)的操作手 冊(cè)得到。由于海洋平臺(tái)的左右浮箱不對(duì)稱，故其在拖航時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定偏航。受到水深條件限制，該方案必須從北槽航道出江。由于北槽航道較窄，且本次拖航編隊(duì)的航跡帶較長(zhǎng)、拖航寬度較寬，在拖航時(shí)須占據(jù)整個(gè)航道，造成其他船只短暫停航。總體來看，該方案較為常規(guī)，拖航公司的經(jīng)驗(yàn)較為豐富，方案的風(fēng)險(xiǎn)較小。

2）浮拖方案

該方案的拖航吃水較小，可選擇任意一條航道進(jìn)行拖航。然而，浮拖方案需要重新計(jì)算整個(gè)拖航系統(tǒng)的穩(wěn)性、水動(dòng)力性能，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)來流角度為45°時(shí)，偏航力矩較大，操控較為困難。此外，拖航公司沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供參考，風(fēng)險(xiǎn)較大。

3）干拖方案

該方案無須考慮半潛式起重平臺(tái)的水動(dòng)力，且對(duì)于該類作業(yè)拖航公司具有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，操作難度也相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，干拖方案需要校核碼頭前沿水深，保證半潛平臺(tái)能夠安裝到半潛運(yùn)輸船上。在半潛式起重平臺(tái)上駁時(shí)，“致遠(yuǎn)口”號(hào)半潛運(yùn)輸船需要的最小吃水見表7。由于安全吃水遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碼頭的水深，故該方案不可行。

表7 平臺(tái)上駁時(shí)半潛運(yùn)輸船的最小吃水

綜合考慮3 種方案，最終選擇風(fēng)險(xiǎn)較小的濕拖方案，其實(shí)際拖航過程見圖4，成功將半潛式起重平臺(tái)從長(zhǎng)江北槽拖航至指定海域。

4 結(jié)論

大型海洋平臺(tái)在出江的過程中常遇到吃水過大、出江困難等問題。本文基于某大型半潛起重平臺(tái)，結(jié)合長(zhǎng)江出海口的水深信息，設(shè)計(jì)濕拖、浮拖和干拖等3 種拖航方案。對(duì)各方案實(shí)施過程中的限制條件進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)出江方案，可以得到如下結(jié)論：

1）濕拖方案僅能夠從長(zhǎng)江北槽航道出江，該航道較窄，在拖航時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注航跡帶寬度和艏部偏航的情況。濕拖方案可作為大型海洋平臺(tái)出江的首選方案。

2）浮拖方案的優(yōu)點(diǎn)是無航道限制，但需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算分析，同時(shí)操縱難度較大，對(duì)船長(zhǎng)的操作經(jīng)驗(yàn)要求高。

3）干拖方案需要校核碼頭水深是否能夠滿足平臺(tái)上駁時(shí)半潛運(yùn)輸船的最小吃水。