鋪管船作業(yè)安全性的評(píng)估方法

汪 薔，任慧龍，李 輝，李陳峰

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶與海洋工程力學(xué)研究所，哈爾濱150001)

西氣東輸二線香港支線是西氣東輸二線管道工程項(xiàng)目中的一部分，香港支線起于大鏟島末站，經(jīng)海底敷設(shè)至香港龍鼓灘輸氣站。實(shí)際項(xiàng)目中，采用“中油海101”鋪管船進(jìn)行海底管道敷設(shè)。在不同海況下，采用錨泊移位系統(tǒng)［1］的鋪管船受到風(fēng)載荷、流載荷、慢漂力和系泊力的綜合作用，其作業(yè)的安全性成為工程人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，而此前并沒(méi)有業(yè)界認(rèn)可的規(guī)范性方法，因此本文針對(duì)鋪管船作業(yè)安全性的評(píng)估方法和相關(guān)結(jié)論對(duì)實(shí)際工程有十分重要的參考價(jià)值。

1 相關(guān)參數(shù)

1.1 坐標(biāo)系系統(tǒng)

為便于描述船舶運(yùn)動(dòng)，引入坐標(biāo)系O-XYZ，原點(diǎn)位于艉垂線與基線的交點(diǎn)，X軸平行于船體基線指向船艏，Y軸與X軸相垂直并指向左舷，Z軸豎直向上。風(fēng)浪流方向根據(jù)風(fēng)浪流方向角來(lái)確定，風(fēng)浪流方向角是指坐標(biāo)系X軸正向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到風(fēng)浪流傳播方向所形成的夾角。其中，隨浪方向?yàn)?°，迎浪方向?yàn)?80°。

1.2 鋪管船基本參數(shù)

鋪管船基本結(jié)構(gòu)參數(shù)［2］:總長(zhǎng)123.78 m;垂線間長(zhǎng)115.00 m;型寬32.20 m;型深6.50 m;設(shè)計(jì)吃水4.00 m;排水量14 539.30 t。

1.3 錨泊系統(tǒng)參數(shù)

鋪管船錨泊系統(tǒng)使用鋼芯鋼絲繩，具體參數(shù):重量集度18.10 kg/m;最小破斷拉力3 560 kN;彈性模量170 GPa;抗拉強(qiáng)度2 160.00 MPa。

2 風(fēng)載荷、流載荷的計(jì)算

《CCS海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》［3］(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中關(guān)于構(gòu)件上的風(fēng)載荷Ff為

式中:v——設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s;

S——平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2;

Ch、Cs——受風(fēng)構(gòu)件的高度和形狀系數(shù)，Cs由《規(guī)范》中對(duì)高度系數(shù)和形狀系數(shù)的規(guī)定來(lái)確定。

構(gòu)件上的海流載荷計(jì)算公式為

式中:CD——曳力系數(shù);

ρW——海水密度，kNs2/m4;

v——設(shè)計(jì)海流流速，m/s;

S——構(gòu)件在與流速垂直平面上的投影面積，m2。

AQWA水動(dòng)力軟件通過(guò)用戶輸入的風(fēng)流系數(shù)來(lái)確定風(fēng)載荷和流載荷。在計(jì)算海洋平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)形狀對(duì)稱，風(fēng)流系數(shù)計(jì)算較為容易;在計(jì)算FPSO時(shí)，由于FPSO外形較規(guī)整，可根據(jù)《Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs》中的關(guān)于VLCC的風(fēng)流系數(shù)曲線進(jìn)行近似取值;而對(duì)于鋪管船，上層建筑物較為復(fù)雜，且目前尚無(wú)規(guī)范性的風(fēng)流系數(shù)曲線進(jìn)行近似取值，本文從風(fēng)流系數(shù)的定義出發(fā)，提出一種通用性的風(fēng)流系數(shù)計(jì)算公式，來(lái)較為準(zhǔn)確地確定鋪管船風(fēng)流系數(shù)。風(fēng)力系數(shù)為;流力系數(shù)為C令構(gòu)件的投影面積乘以相應(yīng)系數(shù)為有效投影面積S'，風(fēng)流系數(shù)的確定關(guān)鍵在于有效投影面積S'的合理確定。

考慮到風(fēng)力系數(shù)中的投影面積較為復(fù)雜，現(xiàn)以風(fēng)力系數(shù)為例來(lái)說(shuō)明風(fēng)流系數(shù)的計(jì)算方法。假定來(lái)風(fēng)方向?yàn)?0°時(shí)，船體水上共有n個(gè)受風(fēng)結(jié)構(gòu)，其中第i個(gè)結(jié)構(gòu)在XOZ平面的投影面積為Ai，相應(yīng)投影面形心的X方向坐標(biāo)為xi;來(lái)風(fēng)方向?yàn)?°時(shí)，船體水上共有k個(gè)受風(fēng)結(jié)構(gòu)，其中第j個(gè)結(jié)構(gòu)在YOZ平面的投影面積為Bj，相應(yīng)投影面形心的Y方向坐標(biāo)為yj。在風(fēng)向角為α?xí)r，根據(jù)高度系數(shù)和形狀系數(shù)進(jìn)行縮減后的有效投影面積S'可以表達(dá)為

縮減后的有效投影面積乘上相應(yīng)常量即可得到風(fēng)力系數(shù)W的表達(dá)式。實(shí)際軟件中需輸入風(fēng)力系數(shù)在x、y和繞z方向的分量Wx、Wy、Wrz。

式中:x0，y0，z0——船舶重心坐標(biāo)。

類似于風(fēng)力系數(shù)的計(jì)算，可以獲得流力系數(shù)在x、y和繞z3個(gè)方向的分量Cx、Cy、Crz。

3 鋪管船作業(yè)安全性評(píng)估

在Ansys中建立如圖1所示的鋪管船濕表面網(wǎng)格，利用AQWA水動(dòng)力軟件進(jìn)行鋪管船的頻域分析以及與錨泊系統(tǒng)耦合的時(shí)域分析［4］，計(jì)算出不同工況下鋪管船錨鏈張力和位移偏移量，通過(guò)與相應(yīng)許用值比較來(lái)實(shí)現(xiàn)鋪管船作業(yè)安全性的評(píng)估。工程上較為關(guān)心最大錨鏈張力，定義各錨鏈中張力最大的錨鏈為主要承力鏈。在給定工況和布錨方式下，通過(guò)主要承力鏈的張力隨其長(zhǎng)度變化的曲線，確定最小張力對(duì)應(yīng)的錨鏈長(zhǎng)度范圍，從而實(shí)現(xiàn)主要承力鏈的錨鏈長(zhǎng)度優(yōu)化。

圖1 鋪管船濕表面網(wǎng)格

4 批量工況計(jì)算的程序化

由蒲式風(fēng)級(jí)表得到風(fēng)級(jí)與波高對(duì)應(yīng)關(guān)系，聯(lián)合鋪管船實(shí)際作業(yè)海域的海浪分布資料，設(shè)計(jì)具體計(jì)算工況，計(jì)算流速選為0.34 m/s，風(fēng)級(jí)變化從3級(jí)到7級(jí)，有義波高從0.5 m變化到4.0 m，共8個(gè)，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，選定11種鋪管船作業(yè)時(shí)的布錨狀態(tài)。在對(duì)每一種布錨方式進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)風(fēng)浪流方向進(jìn)行劃分，默認(rèn)風(fēng)浪流方向一致，保證此時(shí)對(duì)船舶作用效果最大。浪向從0°到180°以30°間隔進(jìn)行取值，7個(gè)浪向與8個(gè)有義波高進(jìn)行組合得到每種布錨狀態(tài)下可能遭遇的海況，因此每種布錨狀態(tài)都需要計(jì)算56種工況。

不同工況的差別只是風(fēng)浪流參數(shù)不同，每種工況下都需要提取8根錨鏈中最大承力鏈的號(hào)碼以及錨鏈最大張力，人工機(jī)械的方式處理此過(guò)程非常耗時(shí)。本文通過(guò)Fortran語(yǔ)言編寫可執(zhí)行文件實(shí)現(xiàn)組合不同風(fēng)浪流參數(shù)，生成不同工況下AQWA軟件所需的輸入文件;利用批處理語(yǔ)言調(diào)用Fortran可執(zhí)行文件和AQWA軟件，實(shí)現(xiàn)在恰當(dāng)?shù)亟o定布錨方式和工況下，錨鏈張力的批量計(jì)算和結(jié)果數(shù)據(jù)提取，極大地節(jié)省了人力。

表1 錨鏈張力計(jì)算結(jié)果

為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，最大錨鏈張力應(yīng)在錨鏈張力數(shù)值處于平穩(wěn)變化的時(shí)間段進(jìn)行選取，避免由于平衡位置調(diào)整引起的錨鏈張力出現(xiàn)突變值。

5 算例分析

5.1 鋪管船風(fēng)流系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)“中油海101”鋪管船具體結(jié)構(gòu)形狀，確定風(fēng)力系數(shù)曲線和流力系數(shù)曲線，見(jiàn)圖2和圖3。

5.2 鋪管船錨鏈張力值的安全性評(píng)估

依據(jù)鋪管船實(shí)際作業(yè)海域地勢(shì)特點(diǎn)，選定布錨方式，以其中龍鼓航道段第三階段布錨方式為例，見(jiàn)圖4。錨鏈張力許用值根據(jù)《規(guī)范》中對(duì)錨纜安全系數(shù)的規(guī)定取為2.0。鋼芯鋼絲繩最小破斷力為3 560 kN，因此許用張力值為1 780 kN，將錨鏈張力最大值與許用張力值相比較，實(shí)現(xiàn)從錨鏈張力值方面對(duì)進(jìn)行鋪管船作業(yè)安全性的評(píng)估。表1中灰色區(qū)域代表錨鏈張力超過(guò)許用值的工況。表中No.代表錨鏈編號(hào)。

5.3 鋪管船運(yùn)動(dòng)偏移量的安全性評(píng)估

鋪管船在作業(yè)時(shí)，對(duì)不同方向的位移范圍有一定要求。其中縱向x偏移量，橫向y偏移量，垂向z偏移量和艏搖角數(shù)值較大，工程上較為關(guān)心。以圖4龍鼓航道段第三階段布錨方式為例，通過(guò)計(jì)算得到不同工況時(shí)鋪管船重心位移變化量。表2為有義波高為1.25 m、不同浪向下鋪管船重心位移偏移量，表3為浪向?yàn)?0°、不同有義波高下鋪管船重心位移偏移量。

圖4 龍鼓航道段第三階段布錨方式示意

表2 1.25 m有義波高不同浪向鋪管船重心位移最大偏移量

表3 30°浪向時(shí)不同波高位移最大偏移量

由表2可見(jiàn)，在橫浪海況下，多項(xiàng)位移偏移量達(dá)到最大值，因此橫浪海況應(yīng)為工程人員重點(diǎn)關(guān)注的海況。當(dāng)此時(shí)位移偏移量超過(guò)鋪管船允許作業(yè)范圍時(shí)，可采用拖輪輔助作業(yè)。由表3結(jié)果可知，各項(xiàng)位移偏移量隨波高的增大而增大，因此波高較大工況應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

5.4 錨鏈長(zhǎng)度優(yōu)化

選取龍鼓航道段第一階段布錨方式為例，布錨方式見(jiàn)圖5。在浪向60°、1.5 m有義波高下，6號(hào)錨鏈為主要承力鏈，繪制該鏈張力隨其長(zhǎng)度的變化曲線，由圖6可知，錨鏈長(zhǎng)度為400 m左右時(shí)，錨鏈張力值達(dá)到最小。

圖5 龍鼓航道段第一階段布錨方式

圖6 錨鏈張力隨錨鏈長(zhǎng)度變化曲線

6 結(jié)論

1)本文所提出的AQWA的風(fēng)流系數(shù)計(jì)算公式適用于不同船型、不同上層建筑形式的船舶，計(jì)算結(jié)果可靠。

2)程序化處理方法實(shí)現(xiàn)了大量工況的自動(dòng)計(jì)算和結(jié)果處理，提高了鋪管船作業(yè)安全性評(píng)估的工作效率，縮短了工作周期。

3)本文提出了錨鏈長(zhǎng)度的優(yōu)化方法，實(shí)際鋪管作業(yè)時(shí)，可分析當(dāng)天海況下主要承力鏈，確定其最佳長(zhǎng)度范圍，使主要承力鏈的張力盡可能減小，增強(qiáng)作業(yè)安全性。

［1］王銘銘.鋪管船錨泊移位系統(tǒng)的分析及應(yīng)用［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［2］羅曉健.淺水起重鋪管船定位錨泊系統(tǒng)配置研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2012，27(1):9-12.

［3］中國(guó)船級(jí)社.CCS海上平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］劉應(yīng)中，繆國(guó)平.系泊系統(tǒng)動(dòng)力分析的時(shí)域方法.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，33(11):7-12.