10000 kW深水動(dòng)力定位工作船拋起錨穩(wěn)性研究

閆秋蓮，周國(guó)平

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 引言

10000 kW深水動(dòng)力定位工作船是為海上石油和天然氣勘探、開采工程、建筑設(shè)施等提供多種服務(wù)的海洋工程船舶。隨著海洋油氣開發(fā)作業(yè)水深加大，具有多功能化的深水海洋工程輔助船已成為當(dāng)今主要開發(fā)船型之一。上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一系列多功能海洋工程輔助船型，10000 kW多用途工作船是最新開發(fā)設(shè)計(jì)的一型具有二級(jí)動(dòng)力定位的深水多用途海洋工程輔助船[1]（圖1）。深水拋起錨作業(yè)是10000 kW多用途工作船設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，拋起錨作業(yè)穩(wěn)性的校核也是海洋工程輔助船規(guī)范規(guī)則 的最新要求，正處于探索研究階段，本文對(duì)10000 kW多用途工作船深水拋起錨作業(yè)穩(wěn)性進(jìn)行了計(jì)算研究和校核，這在國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)研究的海洋工程輔助船中屬于首次校核研究，獲得了一些學(xué)習(xí)體會(huì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在此本文就有關(guān)深水拋起錨作業(yè)穩(wěn)性研究工作作一簡(jiǎn)要介紹，僅供參考。

圖1 10000 kW多用途工作船

1 船舶概況

1.1 航區(qū)及用途

本船為一艘深水多用途海洋工程輔助船，航行于無限航區(qū)，抗風(fēng)能力達(dá)到12級(jí)。船舶主要用于:拖曳海上石油平臺(tái)、大型起重船、大型下水駁船和工程作業(yè)船舶，是大型海洋工程裝備遠(yuǎn)距離拖航的主拖船；具有較強(qiáng)的拋起錨作業(yè)能力，能提供快速高效的拋起錨作業(yè)服務(wù)；能為海上石油平臺(tái)供應(yīng)甲板貨（鉆井物資和材料、集裝箱、平臺(tái)生活用品）、液貨供應(yīng)（鉆井淡水、淡水、鉆井泥漿、燃油）、散料供應(yīng)（散裝水泥、重晶石、土粉）等；具有一級(jí)對(duì)外消防滅火作業(yè)能力[2]；能進(jìn)行守護(hù)值班和營(yíng)救作業(yè)能力；并具有對(duì)儲(chǔ)油輪及到達(dá)的提油輪進(jìn)行拖帶、頂推和撈取油管作業(yè)，協(xié)助其進(jìn)行提油作業(yè)。船舶設(shè)有二級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)。船舶滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）對(duì)遠(yuǎn)洋拖船、供應(yīng)船、拋起錨船、一級(jí)消防船和二級(jí)動(dòng)力定位船的有關(guān)要求和規(guī)定。

1.2 船級(jí)

該船按中國(guó)船級(jí)社現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則設(shè)計(jì)、建造、受之檢驗(yàn)及批準(zhǔn)入級(jí)[3]，取得下列船級(jí)符號(hào)和附加標(biāo)志:★CSA，★CSM，拖船Tug，供應(yīng)船Offshore Supply Ship，小塊漂流冰況區(qū)域航行Ice Class B，拋起錨Anchor Handling，第1類消防船F(xiàn)ire Fighting Ship 1，水霧系統(tǒng)Water Spraying，機(jī)器處所周期無人值班AUT-0，二級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)DP-2。

1.3 主要要素

10000 kW多用途工作船主要要素見表1。

2 深水拋起錨設(shè)施配置及作業(yè)能力分析

2.1 深水拋起錨設(shè)施配置

本船能為海上石油平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)水深1000 m以內(nèi)的拋起錨服務(wù)。拋起錨作業(yè)設(shè)施配置有雙卷筒液壓拖纜機(jī)、液壓鯊魚鉗/擋纜樁裝置、圓筒形艉滾筒及夾層鋼板滑道等[4]。

表1 10000 kW多用途工作船主要要素

對(duì)深水拋起錨設(shè)施配置本船在首樓后部主甲板上設(shè)一臺(tái)臥式液壓拖纜機(jī)，高低布置雙卷筒，下卷筒兩端各帶有一只平臺(tái)錨鏈輪（左輪鏈徑?84 mm，右輪鏈徑?76 mm，可更換），拖纜機(jī)工作負(fù)載3000 kN（第一層），每個(gè)卷筒容繩量?70 mm×2000 m，主拖纜破斷負(fù)荷3200 kN,拖纜機(jī)可在駕駛室后駕控臺(tái)上遙控操縱，也可在機(jī)旁操縱，拖纜機(jī)能用于海上拖航作業(yè)和起拋錨作業(yè)。

在主甲板艉部設(shè)一套升降型組合式液壓鯊魚鉗/擋纜樁裝置，液壓鯊魚鉗安全工作負(fù)載5000 kN，適用鏈索直徑?32 mm～?112 mm，液壓擋纜樁安全工作負(fù)載:3000 kN，鯊魚鉗和擋纜樁在工作時(shí)伸出甲板。在船尾端設(shè)一臥式圓筒形艉滾筒，工作直徑×長(zhǎng)度?2.4 m×4.8 m，安全工作負(fù)荷5000 kN。在艉部的液壓鯊魚鉗/擋纜樁和艉滾筒之間的鋼甲板作特別加厚處理，并在尾部與艉滾筒連接的主甲板中間設(shè)置與艉滾筒工作寬度相適應(yīng)的木甲板夾層鋼板滑道，鋼板滑道寬4.8 m，鋼板滑道上表面鋼板與木甲板的鋼質(zhì)壓板平。使船舶能方便地為海上石油平臺(tái)提供快速高效的拋起錨作業(yè)服務(wù)。深水拋起錨設(shè)施布置圖見圖2。

2.2 1000 m水深拋起錨作業(yè)能力分析

深水一般是指水深在500 m～1500 m之間的水域，1500 m以上為超深水。在作業(yè)水深1000 m以內(nèi)的錨系泊系統(tǒng)的布置中，最常見的是使用錨鏈加置入鋼纜的柔性懸鏈線系泊方式[5]。拖纜機(jī)拖絞力的大小直接反映拋起錨作業(yè)的能力。拖纜機(jī)拖絞力可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）進(jìn)行估算:

圖2 深水拋起錨設(shè)施布置圖

圖3 拋起錨作業(yè)示意圖

圖4 拋起錨過程錨鏈線拉力及力臂圖

式中:Wc為每段錨泊索的單位長(zhǎng)度重量，kN/m；Wd為水深，m；FB為深水系泊錨的破斷負(fù)荷30%，kN，由于作業(yè)水深和深水海上設(shè)施的不同，各種深水系泊錨破斷負(fù)荷各不相同，故此處FB用錨鏈破斷負(fù)荷的25%代之較為合理。

起錨作業(yè)時(shí)錨系泊處于垂直狀態(tài)，拖纜機(jī)的拖絞力最大。頂部錨鏈由鉆井平臺(tái)承擔(dān)質(zhì)量負(fù)荷。錨系泊系統(tǒng)布置方案為:

底部錨鏈:平臺(tái)錨鏈，鏈徑? 84 mm，長(zhǎng)度250m，破斷負(fù)荷7230 kN，比重4440 kg/27.5 m；

中間錨纜:鋼芯鋼絲繩，直徑? 90 mm，長(zhǎng)度2600 m，破斷負(fù)荷7439 kN，比重3932 kg/100 m；

頂部錨鏈:平臺(tái)錨鏈，鏈徑?84 mm，長(zhǎng)度265 m，破斷負(fù)荷7230 kN，比重4440 kg/27.5 m；

圖5 load02工況拋起錨作業(yè)時(shí)最大拉力圖

底部錨鏈:平臺(tái)錨鏈，鏈徑?84 mm；起錨鏈長(zhǎng)度Wd1= 250 m；比重WC1= 4440 kg/27.5 m= 1.582 kN/m；破斷負(fù)荷FB= 0.25×7230 = 1807.5 kN；

中間錨纜:起錨纜長(zhǎng)度Wd2= 1000 - 250 =750 m；比重WC2= 4700 kg/100 m = 0.385 kN/m。

則有:

在作業(yè)水深1000 m以內(nèi)拋起錨作業(yè)中，錨系泊布置使用錨鏈加置入鋼纜的柔性懸鏈線系泊方式，所需拖纜機(jī)的拖絞力約為2991.75 kN。本船配置拖纜機(jī)的拋起錨絞力為3000 kN，滿足了船舶為海上深水平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)水深1000 m以內(nèi)錨鏈加置入鋼纜的拋起錨作業(yè)要求。在拋起錨穩(wěn)性計(jì)算中拋起錨的起絞力按最大值選取3000 kN。拋起錨作業(yè)示意圖見圖3。

3 拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核

3.1 拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核提出背景

在2007年6月6日之前，國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)具有拋起錨作業(yè)能力的近海供應(yīng)船和拖船不要求核算拋起錨穩(wěn)性。2007年3月13日，挪威的一艘拋起錨船（船名Bourbon Dolphin）在起錨作業(yè)過程中瞬間發(fā)生了側(cè)翻，有8名船員遇難。2007年5月10日，挪威海事局制定了拋起錨穩(wěn)性衡準(zhǔn)，并向國(guó)際海事組織（IMO）提交了拋起錨穩(wěn)性要求。國(guó)際海事組織（IMO）于2007年6月6日發(fā)布了MSC 83/INF.9[6]，要求具有拋起錨能力的近海供應(yīng)船和拖船必須滿足拋起錨穩(wěn)性，要求從2007年6月6日開始執(zhí)行。

表2 load02工況拋起錨作業(yè)時(shí)最大橫傾力矩計(jì)算及拋起錨穩(wěn)性校核

中國(guó)船級(jí)社目前還沒有Anchor Handling船級(jí)附加標(biāo)志，具體的規(guī)范和規(guī)則要求尚未制訂，在本船拋起錨穩(wěn)性核算之前，入中國(guó)船級(jí)社具有拋起錨能力的海工輔助船基本上沒有核算拋起錨穩(wěn)性要求。10000 kW多用途工作船具有較強(qiáng)的拋起錨作業(yè)能力，船東要求取得Anchor Handling船級(jí)符號(hào)，作為探索性研究，經(jīng)與中國(guó)船級(jí)社上海審圖中心協(xié)商，本船根據(jù)MSC 83/INF.9對(duì)Anchor Handling的要求進(jìn)行拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核。

3.2 拋起錨穩(wěn)性衡準(zhǔn)分析

拋起錨過程是一個(gè)比較復(fù)雜的海上作業(yè)活動(dòng)，錨鏈線上巨大的拉力會(huì)使船舶產(chǎn)生相當(dāng)大的橫傾力矩和船尾快速的橫向旋轉(zhuǎn)，使得螺旋槳推力和舵位置同時(shí)失效，進(jìn)一步增加了船舶橫向力。同時(shí)，作用于船上的環(huán)境外載荷風(fēng)、浪、流的大小也會(huì)影響拋起錨操作。

IMO規(guī)定對(duì)于具有拋起錨能力的船舶都需要計(jì)算額外的船舶完整穩(wěn)性（拋起錨穩(wěn)性），在拋起錨作業(yè)過程中，計(jì)算作用于船舶尾滾筒端部的垂向力、水平力和橫傾力矩，在最大橫傾力矩的作用下，船舶最大橫傾角應(yīng)小于以下任何一個(gè)角度:

1）在GZ曲線上，0.5GZmax處所對(duì)應(yīng)的橫傾角；

2）甲板浸水角；

3）15°。

船舶拋起錨過程中，作用于船舶的橫傾力矩是水平力矩和垂向力矩的合力矩，水平力矩的力臂是尾滾筒端部的甲板高度與螺旋槳中心高度之差，垂向力矩的力臂是尾滾筒端部距離船中縱剖面的水平距離，拋起錨過程錨鏈線拉力及力臂圖見圖4。對(duì)于從事拋起錨操作的典型裝載工況都必須計(jì)算最大橫傾力矩和橫傾角，最大橫傾角要小于拋起錨穩(wěn)性橫準(zhǔn)規(guī)定的角度。

3.3 典型工況拋起錨穩(wěn)性計(jì)算

本船滿足國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)拋起錨船穩(wěn)性的要求。本船尾滾筒工作直徑×長(zhǎng)度:?2.4 m×4.8 m，尾部甲板距離螺旋槳中心高度為6.0 m，本船拖纜機(jī)工作負(fù)載3000 kN（第一層），故拋起錨穩(wěn)性計(jì)算中錨鏈線拉力取拖纜機(jī)的最大工作負(fù)載3000 kN。拋起錨作業(yè)穩(wěn)性工況校核，主要針對(duì)作業(yè)工況中典型的裝載狀態(tài)進(jìn)行校核，其中包括:load01海上拖帶出港、load02海上拖帶到港、load03供應(yīng)甲板貨800 t出港、load04供應(yīng)甲板貨800 t到港、load05減搖水艙開啟時(shí)供應(yīng)甲板貨600 t出港、load06減搖水艙開啟時(shí)供應(yīng)甲板貨600 t到港、load07減搖水艙開啟時(shí)供應(yīng)散裝水泥出港、load08減搖水艙開啟時(shí)供應(yīng)散裝水泥到港、load09減搖水艙開啟時(shí)自由航行出港、load10減搖水艙開啟時(shí)自由航行到港等裝載狀態(tài)。本文選擇load02海上拖帶到港裝載狀態(tài)作一介紹，在偏離角0°～90°范圍內(nèi)進(jìn)行拋起錨穩(wěn)性校核（表2），load02裝載工況下最大可允許的拉力圖見圖5。由圖表可見，在滿足拋起錨穩(wěn)性前提下，load02裝載工況在偏離角0°～30°范圍內(nèi)最大可允許的拉力是300 t，偏離角在60°～80°時(shí)錨鏈線可允許的拉力為250 t，由此可得偏離角在60°～80°時(shí)拋起錨最危險(xiǎn)。在拋起錨作業(yè)時(shí)，建議在偏離角0°時(shí)進(jìn)行拋起錨操作最安全。

4 結(jié)束語

本船根據(jù)MSC 83/INF.9對(duì)Anchor Handling的要求所進(jìn)行拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核，可得如下結(jié)論:

1）在拋起錨穩(wěn)性計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船尾傾越大，尾部甲板入水角越小，拋起錨穩(wěn)性越不好。故裝載過程中，盡量減少尾傾。

2）當(dāng)船舶吃水比較淺或者吃水很大的時(shí)候，拋起錨穩(wěn)性較差。拋起錨實(shí)際操作過程中，選擇合適的裝載工況進(jìn)行拋起錨操作非常重要。

3）當(dāng)錨鏈線偏離角在0°的時(shí)候，在滿足拋起錨穩(wěn)性衡準(zhǔn)前提下，錨鏈線受力最大，拋起錨作業(yè)最安全。

深水拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核是海洋工程輔助船設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，10000 kW多用途工作船拋起錨作業(yè)穩(wěn)性校核可以給海洋工程輔助船設(shè)計(jì)研究提供參考，給中國(guó)船級(jí)社針對(duì)Anchor Handling船級(jí)附加標(biāo)志的規(guī)范和規(guī)則指示性文件的制訂和執(zhí)行提供一定參考。

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[2]周國(guó)平. 海工輔助船對(duì)外滅火作業(yè)安全保障設(shè)計(jì)研究[J]. 中國(guó)造船, 2008, 49(Z2):172-178.

[3]中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S]. 2009.

[4]周國(guó)平. 三用拖船主要功能的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊, 1998(3-4):12-23.

[5]陸忠杰, 周國(guó)平. 深水錨系泊作業(yè)技術(shù)應(yīng)用初探[J].船舶設(shè)計(jì)通訊, 2011(2):67-72.

[6]IMO MSC83/INF.9.[S]. 2007.