3000t鋪管起重船鋪管作業錨泊定位系統設計研究

盛 慶 武

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 200233）

1 鋪管作業概述

鋪管船是一種專門用于海底管線鋪設的特種工程船舶。固定式托管架連接在船尾，以保證管子在入水時有一個合適的彎曲度，對于淺水近海（10～450m）管道鋪設，一般采用S形鋪設方法，管道在下海輸送過程中呈S形變形曲線。此時，張緊器在甲板上施加張緊力，管道下海過程中的張緊力和管線變形必須有監控，防止應力和應變超過管線設計允許量。

圖1為典型鋪管S曲線，管線分為3部分：直管段、上彎段和下彎段，張緊器控制管線的張力，鋪管船滾輪和托管架滾輪支撐鋪設的管線。通常，鋪管船需要沿特定的路線前進，在行進過程中，需要保證鋪管船管線上的應力不應過高，這需要通過張緊器來保持管子上的張力。管子的允許張力和船舶位置變化的允許公差根據管子直徑和鋪管位置的水深來確定。

錨泊定位系統是一個非常復雜的系統，具體表現為：1)由于鋪管船在鋪管作業時一直向前移動，在移動過程中具有一定的移動速度，在一定距離的移船過程中，錨在固定坐標系中的位置始終保持不變，錨泊線隨時間推移其長度發生變化，具有很強的非線性，直接計算將是非常復雜的問題；

圖1 典型鋪管S曲線

2)鋪管作業時，要求船體在特定的環境載荷作用下水平方向的位移較小，同時導纜孔處的軸向最大張力不大于錨絞車移船的設計張力，錨上作用的水平方向的拉力不超過錨的最大抓力以及錨的垂向不受力，以避免發生走錨現象，這樣的約束條件對錨泊定位系統要求較高，需要做深入細致的研究；

3)由于在船舶設計初期可能針對特定的海域，或者對指定的海域內風、浪和流等的統計資料不完備，因此，在鋪管作業時確定海上的風、浪和流等環境條件比較困難。

2 鋪管作業時運動響應及二階平均波浪載荷響應計算分析

3000t鋪管起重船為非自航淺水鋪管起重船，配備輔助推進器，可短距離移泊，能夠鋪設最大水深為300m的海底管線。在主甲板右舷設有鋪管作業線，左舷設有管線儲存區，船尾設有固定式托管架。該船總長169.00m，水線間長165.00m，型寬46.00m，型深13.50m。鋪管作業時使用12點非對稱錨泊定位系統。采用多種專業軟件和應用軟件包括NAPA軟件（船舶總體設計軟件）、HydroStar軟件（用于評估海上結構物一階及二階波浪載荷和運動響應的三維繞射/輻射軟件）、ARIANE 7軟件（系泊分析軟件）和MATLAB軟件（用于計算前后處理和譜分析等）及各自開發的模塊或程序組成的軟件集成系統，作為3000t鋪管起重船鋪管作業錨泊定位系統設計研究的計算平臺。

2.1 計算典型裝載工況

本文僅限甲板上裝載5000t（滿載）管線100%油水工況進行耐波性研究，表1為3000t鋪管起重船鋪管作業裝載5000t（滿載）管線100%油水工況的浮態參數：

表1 裝載5000t（滿載）管線100%油水工況的浮態參數 m

2.2 計算輸入參數

2.2.1 網格圖

首先，對典型裝載工況劃分網格圖，該船網格數共1984個。圖2為該工況網格劃分圖。

2.2.2 計算波浪圓頻率和浪向

計算波浪圓頻率共 49個，從 0.1rad/m至2.5rad/m間隔為 0.05。由于船體縱向對稱性，計算浪向共13個，從0～180°，間隔為15°。

2.2.3 鋪管作業波浪條件

有義波高為2.5m，波浪周期(波峰)：Tp= 6 .0～12.0s 。波譜為Jonswap譜，其中γ=1.0。

2.2.4 耐波性能指標

運動性能指標：縱蕩（Surge）、橫蕩（Sway）、垂蕩（Heave）、縱搖（Pitch）、橫搖（Roll）)和艏搖（YAW）運動響應，見圖3。二階波浪平均載荷：縱向二階波浪平均力(Fx)響應、橫向二階波浪平均力(Fy)響應和二階波浪平均艏搖力矩(Mz)響應，見圖4。

圖2 該工況網格劃分

2.3 計算結果分析

圖3 、4分別為3000t鋪管起重船鋪管作業裝載5000t（滿載）管線100%油水工況時不同角度（deg）的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖運動響應傳遞函數（RAO）和二階波浪平均載荷傳遞函數。

圖3 運動響應函數

圖4 二階平均波浪載荷傳遞函數

3 錨泊定位系統計算和分析

3.1 錨泊定位系統配置參數

錨泊定位系統的主要參數，是根據母型船的錨泊定位系統進行初步選擇，并按設計任務書有關水深和環境條件的要求確定。

3.1.1 錨索

該船配備了12條鍍鋅鋼絲繩工作錨錨索，每條錨索長3000m，直徑76mm，破斷力為3800kN，每條錨索在空氣中的重量為24.32kg/m，而在水中的重量為19.58kg/m。

3.1.2 定位錨機

設置電動變頻帶阻尼剎車的鋪管定位絞車12 臺。絞車主要技術參數：

鋼絲繩直徑為76mm；絞車中間層拉力為1100kN；主剎車支持負載（滾筒第三層）為3800kN；容繩量為3000m。

3.1.3 錨

設置10個STEVPRIS 型海洋工程大抓力錨，每個重量初步定為12t，錨的抓重比系數為10，最大抓力為120t，即1176kN。

3.2 鋪管作業設計環境條件

該船作業區域為中國南海、東海、渤海以及東南亞、西非、波斯灣淺水海域。作業計算水深取最深工作水深300m。

該船可在下列環境條件下作業：波浪有義波高2.5m，波浪周期（波峰）為6.0～12.0s，波譜使用Jonswap（取γ=1.0）；流速為2.0kn；風速為16m/s。計算中將風、浪和流的設計載荷均按橫向（由東向西）施加，以此獲得最大的橫向運動和波浪載荷。并依據API規范要求，風、浪和流載荷分別在南偏東30°和北偏東30°方向時對鋪管作業時所設計錨泊定位系統的運動和受力情況進行校核，這樣設計環境載荷認為給定了環境條件組合的極端情況，由此可確定錨泊定位系統導纜孔處的最大張力和最大水平位移，以確認該錨泊定位系統的合理性及適用性。限于篇幅，本文僅對橫向環境載荷下錨泊定位系統進行設計研究。

3.3 鋪管作業錨泊定位系統設計原則、設計方式和錨泊定位能力評估指標

3.3.1 設計原則

該船的鋪管作業錨泊定位系統為 12點非對稱錨泊系統。鋪管作業過程中拋錨和起錨需要花費不少時間，而鋪管作業又非常依賴于好的“窗口”(設計環境條件范圍內)，所以在鋪管作業過程中應盡可能減少起錨次數，以提高工作效率和日鋪管公里數，這是鋪管作業最根本的要求。因此，在鋪管作業向前移船時，艏部錨泊線收緊，艉部錨泊線放長，這樣在一次拋錨后至起錨期間整個鋪管作業中錨泊定位系統的錨泊線長度隨著船舶前移其各種相關的參數均會發生變化，也就是鋪管起重船在不同位置組成了若干個“新”的錨泊定位系統，每個新的錨泊定位系統又都要進行新的設計、計算和分析，以達到設計要求。因此，鋪管作業時錨泊定位系統的設計原則應確保如下幾點：

1)鋪管起重船橫向振蕩運動的平衡位置應始終處于海底管線要求的路線上；

2)鋪管起重船橫向、縱向和艏搖運動的幅值保持在一定數值范圍內；

3)錨泊定位系統上的設計張力取每條錨泊線破斷張力(取錨鏈和錨索的最小破斷張力)除以安全系數的值、絞車中間層的拉力值和錨上最大水平抓力三者之間的小者；

4)錨垂向不受力，水平方向受到的力應小于該錨的最大抓力。

3.3.2 設計方式

根據上述設計原則，對3000t鋪管起重船錨泊定位系統采取了如下的設計方式（為計算簡化起見，假定鋪管路線為直線）：

1)首先設計作業時初始狀態的錨泊定位系統（相當于在剛拋好錨后）：確定錨的位置、錨泊線布置方式、錨泊線放出長度，通過施加環境載荷后對該錨泊定位系統計算后確定鋪管起重船平衡位置和振蕩運動幅值、導纜孔上的最大軸向張力以及作用在錨上的張力等，經校核結果滿足設計要求（如不滿足，需要重新設計、計算和分析錨泊定位系統）后完成鋪管起重船在初始位置時的錨泊定位系統的設計；

2)根據上述的錨泊定位系統，固定各個錨的位置（錨的位置與初始狀態的錨泊定位系統相同），每間隔20m通過對各錨泊線的收放確定“新”的錨泊定位系統，這個“新”的錨泊定位系統依然重復初始狀態錨泊定位系統的設計方式，但是，每個“新”的錨泊定位系統必須與初始位置的錨泊定位系統的橫向平衡位置基本保持在一條直線上，即海底管線要求的位置路線上；

3)對上述錨泊定位系統設計一直到鋪管起重船移動到 200m的位置，作為鋪管起重船前進的最大位置。

該船首部布置了6根錨泊線，在初始位置處于布放最長狀態；艉部布置了6根錨泊線，在初始位置處于布放最短狀態。在作業過程中艏部的6根錨泊線逐步收起，艉部的6根錨泊線逐步放出，這樣在前進過程中，錨泊定位系統中各參數和變量是時間的函數，如果對該系統進行實時仿真分析，那么求解算法不僅復雜，而且計算量非常大，因此，需要用準靜力的方法來分解該錨泊定位系統：將連續的錨泊定位系統分解成若干個離散錨泊定位系統，然后對這些離散錨泊定位系統做時域動力分析，這種方法能比較有效和合理地設計鋪管作業時的錨泊定位系統。

3.3.3 錨泊定位能力評估指標

1)起重船在固定坐標系中的最大、最小和平均位移；

2)錨泊線導纜孔軸向最大張力。

3.4 風載和流載的計算方法

由于真實的風力系數和流力系數一般很難直接求得，需要通過風洞船模試驗和拖曳水池船模試驗的方法獲得，但是這種方法費用很高，且試驗周期較長。因此，現在通用的方法是依據已有的風力系數和流力系數的模型資料（目前OCIMF為通用方法），通過插值的方法來獲得。有關風載和流載系數的計算方法參照文獻[1]。

該船的迎縱向風的面積為1520m2，迎橫向風的面積為4030 m2，風轉動力矩作用點位于隨船坐標系重心位置。

3.5 鋪管作業鋪管線在錨泊定位系統中的應用

對于鋪管S曲線，其上的應力和彎矩可用海底管線設計計算分析軟件如OFFPIPE等來計算分析，本文僅針對鋪管作業錨泊定位系統的研究，對鋪管線的運動和受力不作計算和分析。但是這段鋪設到海底的管線對錨泊定位系統貢獻不可以單純地忽略不計。

在錨泊定位系統中，通過對張緊器原理的分析，可以看到張緊器上最大容許張力為100t，假定此力為65t左右（通常將60%～80%的最大容許張力的水平力作為作用在托管架上的設計張力）對鋪管起重船的定位起作用，那么，錨泊定位系統假定在這個位置上又加了一條錨泊線，而這條錨泊線的作用只是提供 65t左右的具有振蕩效應的水平力（可通過“假定”錨泊線上的剛度系數和單位長度重量等參數控制其振蕩水平），且沿著鋪管線鋪設的方向，因此，對這根錨泊線上其他變量就不再校核了。假設了這條錨泊線后，整個錨泊定位系統成了“13點”非對稱錨泊定位系統，注意這“第13根錨泊線”只是為了設計中更能接近真實錨泊定位系統的運動和受力分析而假定的，并不是真正的錨泊線。

3.6 錨泊定位系統位置及風、浪和流作用方向圖

圖5為 3000t鋪管起重船鋪管作業初始位置時的錨泊定位系統布置及風、浪和流的作用方向圖，其他位置的布置圖與此相似。

圖5中固定坐標系X軸向北為正，Y軸向東為正，Z軸向下為正；隨船坐標系x軸向北為正，y軸向東為正，z軸向下為正，兩坐標系初始原點重合。圖中的LINE表示錨泊線，anchor表示定位錨。

圖5 3000t鋪管起重船鋪管作業時錨泊定位系統布置及風、浪和流的作用方向

3.7 錨泊定位系統設計張力的確定

按照API發表的文獻[2]中有關錨泊線安全系數的描述：對于準靜力方法，安全系數選為2.0，對于動力計算方法，安全系數可取為1.67，其他方法可在這兩者間酌情選擇。由于Ariane 7軟件使用準動力方法，其安全系數按法國船級社發表的文獻[3]選為1.75。該船鋪管作業工況時，使用了準靜力法對鋪管作業過程中錨泊定位系統進行了離散處理，而每個離散的錨泊定位系統使用準動力數值計算方法，因此，安全系數仍選為1.75。

錨泊線安全系數的確定在錨泊系統設計中具有重要意義，因為由此可確定錨泊線的破斷負荷及錨泊線鋪出長度以及錨拋出的位置。本錨泊線中絞車纜繩的破斷負荷為3800kN，而錨鏈的破斷負荷為3887kN，所以選擇3800kN作為本船錨泊線的最大破斷負荷，相應錨泊線最大可承受的張力為3800/1.75=2171kN。

從定位錨機的絞車中間層拉力1100kN和有關錨上可承受最大抓力1176kN和錨泊線可承受最大軸向張力2171kN，取三者中最小者即1100kN為錨泊定位系統設計張力。

3.8 風、浪和流東向作用下的錨泊定位系統計算

假定初始位置與固定坐標系重合，鋪管作業時移船的位置分別為初始位置（0m），相對初始位置分別為沿北向前進20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m、180m和200m，總計11個位置。作用在該船上的環境載荷中流向、浪向和風向均取在橫向作用（由東向西）。不考慮移船速度的影響(本移船速度是0.25m/s)，移船過程中錨的位置始終不變，只是錨泊線的長度發生變化。

3.8.1 初始位置處的錨泊系統計算結果

根據3.1節確定的錨泊定位系統配置參數、水深及海底形狀、設計張力以及錨上不能承受垂向力等設計條件，通過懸鏈線法可計算出錨泊線由導纜孔到錨之間最小鋪出長度。

在水深為300m時的錨泊線在水中的位形通過懸鏈線方程計算。此時錨上只承受水平方向的力，垂向剛好不受力，導纜孔處的軸向張力為設計張力1100kN，從導纜孔鋪出的最小錨泊線長度為1810m。

實際設計中錨泊線的長度往往超過最小長度，希望鋪在海底處有一段錨泊線(通常情況下是與錨相連接的錨鏈)，可以提供一定的水平摩擦力[4]，經過進一步的計算及考慮到錨泊線總長等因素最后確定錨泊線從導纜孔至錨處鋪出長度為2500m以上。

1)導纜孔處的預張力和錨/導纜孔間位置計算結果，見表2。

2)錨泊定位系統時域分析計算結果，見表3、4。

表2 初始位置時導纜孔和錨處預張力及錨泊線鋪出長度

表3 在固定坐標系中初始位置時受環境載荷作用下的最大、最小和平均位移

表4 初始位置時在環境載荷作用下錨泊線導纜孔處軸向最小、平均和最大張力

3.8.2 錨泊線長度隨移船位置的變化

對12根錨泊線隨移船位置的變化見表5，其中錨泊線12和7、錨泊線11和8、錨泊線10和9為對稱錨泊線，其長度變化相同。

表5 風、浪和流東向作用時錨泊定位系統錨泊線長度隨移船位置的變化

3.8.3 在移船過程中位移的變化

表6為風、浪和流東向作用時鋪管起重船在移船過程中位移的變化，這僅是該船鋪管作業時運動的極限位置，并不是真實的運動軌跡。

表6 風、浪和流東向作用時鋪管起重船在移船過程中位移的變化

3.8.4 在移船過程中錨泊線軸向最大張力及鋪管線水平張力

對鋪管起重船鋪管作業時移船過程中 12根錨泊線上軸向最大張力進行了統計，并列出鋪管起重船鋪管作業時鋪管線導纜孔處水平方向的最小、平均和最大張力，見表7。

表7 移船過程中12根錨泊線上軸向最大張力及鋪管線導纜孔處水平方向的最小、平均和最大張力

3.9 風、浪和流東向作用時錨泊定位系統計算結果分析

通過錨泊定位系統設計原則和鋪設管線在錨泊定位系統中的應用，對設計的錨泊定位系統計算結果與其比照與分析，以確定所設計的錨泊定位系統是否滿足要求。

1)由位移變化的表和圖中顯示出該鋪管起重船在鋪管作業時橫向振蕩運動的平衡位置始終處于-7.85m左右位置處，東向振蕩運動的幅值在-15.54m和-0.04m之間；北向振蕩運動的幅值為相應平衡位置處-1.03m和2.13m之間；艏搖運動的平衡位置始終處360.7°左右，艏搖振蕩運動的幅值在358.5°和362.4°之間；

2)12條錨泊線(錨鏈和錨索)上的軸向最大張力不大于1100kN；

3)錨垂向不受力，水平方向受力應小于該錨的最大抓力1200kN；

4)鋪管線上的水平張力為637kN，即65t，與本文3.5 節假定相符。

通過上述的分析總結，可知在風、浪和流向東向作用時的錨泊定位系統達到設計要求。

4 結 語

采用了非對稱錨泊定位系統，使每根錨泊線能承受盡可能大的軸向張力，以限制船體的位移，從計算結果分析看，有些錨泊線上的軸向張力已接近或達到絞車所能承受最大移船時的張力 1100kN，這樣可以保證船體的位移達到較小的程度。對于海上環境條件的確定，由于鋪管船在鋪管作業時確定可作業的環境條件，并沒有將風、浪和流的聯合作用方向給出統計，基于此，首先應針對橫向來浪、風和流的作業來設計鋪管作業時錨泊定位系統，然后根據API規范的要求對風、浪和流為南偏東30°方向和北偏東30°方向作用時的錨泊定位系統進行校核，可以得出，3.1節中所選取的錨泊定位系統的主要參數可以滿足設計要求，因此可作為最終設計的錨泊定位系統。

[1]OCIMF. Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs, Second Edition, Oil Companies International Marine Forum[C].London, 1994.

[2]Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Plat-forms - Load and Resistance Factor Design[R]. API Recommended Practice 2A-LRFD (RP 2A-LRFD), First Edition, July 1, 1993.

[3]BUREAU VERITAS. Quasi-dynamic analysis of mooring systems using Ariane software Guidance Note[R]. NI461 DTO R00 E, May 1998(Tentative issue).

[4]范 菊，黃祥鹿. 錨泊線的動力分析[J]. 中國造船, 1999,1 (1)∶ 13-20.