海洋輔助鉆井船錨泊系統計算分析

林益明，陳超核

（華南理工大學，510640）

1 引言

海洋石油鉆井平臺、海洋工程輔助鉆井船等大型浮體在海洋環境（風、浪、流）作用下的錨泊定位問題一直是工程和理論界研究和需要解決的熱點問題。

針對錨泊系統的分析，劉應中等[1]基于準靜態時域方法，提出了一種在風、浪、流聯合作用下計算油船運動和系泊纜索動力響應的方法；羅曉健[2]采用準靜力法求解船舶在幾種工況下的最大錨泊力；盛慶武[3]基于軟件Ariane7提出了一種準動力方法用于計算錨泊張力；Kim, M H[4]等分別采用準靜態、半耦合和全耦合分析方法計算分析了作業水深為3 000 ft的TLP平臺，結果表明全耦和分析得到的運動幅值要小于準靜態或半耦合分析計算結果；Chen X H[5]等研究了浮體與立管/系泊系統的動態耦合相互作用的重要性，分別采用耦合分析方法和準靜態分析方法對一個mini-TLP進行了數值計算，并與實驗結果進行了對比。

本文基于軟件AQWA，對某海洋工程輔助鉆井船在真實海洋環境中的錨泊線張力進行規范校核計算，給出了鉆井船在相關海域的工作條件要求。

2 原理與方法

2.1 錨泊系統所受載荷

錨泊系統分析，船舶需要考慮波浪力、流力和風力的作用。波浪力包括波頻力、二階波浪力。二階波浪力又可以分為二階平均波浪漂移力、和頻力和差頻力。差頻力又稱低頻二階波浪力，由于其頻率低，可能與錨泊系統產生共振，引起較大縱蕩和橫蕩，所以需要考慮差頻力的影響，而和頻力幅值較小，故在錨泊計算中通常被忽略。

2.1.1 波頻力的計算[7]

根據三維勢流理論計算入射勢ΦI、繞射勢Φd和輻射勢ΦR，按照Lagrange公式，可以得到水動壓力為：

將波頻力分為兩部分：

1）由入射勢和繞射勢產生的波頻力：

其中:Fj為在j方向的主動力（單位波幅）;nj為濕表面在j方向的方向向量；為平衡位置的濕表面積。

2）由于物體的運動，有被動力作用在物體上，物體受到的力叫輻射力。可以寫成：

其中:xi為浮體的運動位移。

將ΦR寫成如下形式：

可以得到：

附加質量和阻尼載荷是由于結構物做強迫諧振動所引起的穩態水動力及力矩。附加質量系數和阻尼系數是結構物形狀、振動頻率和前進速度的函數；此外，流場的深度和開闊度對附加質量系數和阻尼系數也有一定的影響。

2.1.2 二階波浪力的計算

二階波浪力的表達式為[8]：

其中：pij為同相位時域傳遞的部分；Qij為不同相位時域傳遞的部分。

由于高頻二階波浪力對浮體運動影響很小，故忽略了和頻項。上式可簡化為：

引入紐曼近似條件，可以得到：

其中：ωi和ωj為各對波浪成分的頻率；ai、aj為波浪成分的幅值；εi和εj為輻射相位角。

2.1.3 風載荷的計算

系泊船舶的風力根據如下公式計算[9]：

其中：Fxw、Fyw和Mxyw分別為船舶縱向、橫向所受到的風力和船舶在風作用下的首搖力矩。

2.1.4 流載荷的計算

系泊船舶的流力根據如下公式計算[10]：

其中：Fxc、Fyc和Mxyc分別為船舶縱向、橫向所受到的流力、船舶在流作用下的艏搖力矩。

2.2 錨泊系統的運動方程及其求解

在風、流、流的作用下，系泊船舶的時域運動方程如下：

其中：Ms為船舶質量矩陣；Madd為附加質量矩陣；K為靜水力剛度矩陣；h(t)為加速度迭代積分矩陣；x為浮體位移；F為環境作用在船舶上的力;Fmb為錨鏈作用在船舶上作用力。

錨鏈的運動方程如下：

其中：Mm為錨鏈質量；Cm為錨鏈受到的阻尼；Km為錨鏈剛度；u為錨鏈位移；Fm為作用在錨鏈上的力。

錨鏈與海底剛性連接，以此為邊界條件，聯立方程（16）、（17），可獲得船舶與錨鏈運動方程的耦合解。

3 海工輔助鉆井船錨泊系統計算分析實例

3.1 基本參數

1）船舶基本參數

船長110 m，型寬31 m,設計吃水6m，排水量16 500 t。

2）錨泊纜參數

錨泊系統纜繩所用的材料是鋼絲，剛度EA為2 3000 kN，最小破斷拉力為3 200 kN。

3）錨鏈布置方案

采用八錨索的布鏈形式，錨鏈角為30°和60°，錨索的伸出長度為1 450 m。

3.2 錨泊系統正常工作的要求

根據規范API規定，在特定海域，回復周期為10年的環境條件下，錨泊系統的錨泊纜張力必須滿足安全系數的要求，即在錨泊線完整和一根錨泊線破斷不完整兩種狀態下的安全系數分別為1.67和1.25。

在一般情況下，錨不能承受豎直向上的拉力，故錨泊線海底段（即錨泊線與海底接觸的部分）長度不能為0。

3.3 計算結果

3.3.1 在水深100 m錨泊系統分析

根據規范要求，在回復周期為10年環境條件下（蒲氏風級B-8）對錨泊系統進行計算，包括兩種狀態：錨泊線完整的狀態和一根錨泊線斷裂的狀態（假設完整狀態下受到張力最大的錨泊線斷裂）計算結果如下：

在錨泊線完整的情況下，N、NE、E環境方向的最大張力分別為97、145、156 t，安全系數分別為3.2、2.2、2.0，均大于規范的要求1.67；

在一根錨泊線斷裂的情況下，N、NE、E環境方向的最大張力分別為135、235、155 t，安全系數分別為2.3、1.3、2.0，均大于1.25。而且錨泊線海底段長度均大于0，所以在水深100 m、回復周期為10年的情況下錨泊系泊是符合規范要求的。

3.3.2 在特定水深情況下錨泊系統所能承受的最大蒲氏風級分析

（1）在水深100 m、蒲風9級的情況下

根據計算結果，N、NE、E環境方向的最大張力分別為91、136、130 t，安全系數分別為3.5、2.3、2.4，均大于1.67，而且錨泊線海底段長度均大于0，所以錨泊系統在水深100 m、蒲風9級的情況下是滿足規范要求的。

（2）在水深150 m、蒲風8級的情況下

根據計算結果，N、NE、E環境方向的最大張力分別為72、110、98 t，安全系數分別為4.4、2.9、3.2，均大于1.67，而且錨泊線海底段長度均大于0，所以錨泊系統在水深150 m、蒲風8級的情況下是滿足規范要求的。

（3）在水深150 m、蒲風9級的情況下

根據計算結果，在N、NE、E環境方向的最大張力分別為85、129、123 t安全系數分別為3.7、2.5、2.6，均大于1.67，但是出現錨泊線海底段長度為0的情況，所以錨泊系統在水深150 m、蒲風9級的情況下是不安全的。

（4）在水深200 m、蒲風7級的情況下

根據計算結果，在N、NE、E環境方向的最大張力分別為59、78、78 t，安全系數分別為5.4、4.1、4.1，均大于1.67，而且錨泊線海底段長度均大于0，所以錨泊系統在水深200 m、蒲風7級的情況下是滿足規范要求的。

（5）在水深200 m、蒲風8級的情況下

根據計算結果，在N、NE、E環境方向的最大張力分別為85、97、92 t，安全系數分別為3.7、3.2、3.5，均大于1.67，但是錨泊線海底段長度出現為0的情況，所以錨泊系統在水深200 m、蒲風8級的情況下是不安全的。

4 結論

（1）船舶的錨泊系統在水深100 m、蒲風9級或者回復周期為10年的各個方向的環境條件下，都滿足規范API對系泊纜張力安全系數的要求，并且錨沒有抬升；

（2）在水深150 m蒲風8級及以下的環境條件下是可以工作的；在水深200 m、蒲風7級及以下的環境條件下是可以正常工作的。

[1]劉應中.系泊系統動力分析的時域方法[J].上海交通大學學報, 1997,31(11).

[2]羅曉健.淺水起重鋪管船定位錨泊系統配置研究[J].中國海洋平臺,2012, 27(1).

[3]盛慶武.3000t 鋪管起重船鋪管作業錨泊定位系統設計研究[J].船舶與海洋工程, 2012(1).

[4]KimMH,TaharA,KimYB.Variability of TLP motion analysis against various design methodologies/parameters[C].Stavanger, Norway: Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conferenee,2001.

[5]Chen X H, Ding Y,Zhang J,etal.Coupled dynamic analysis of a mini TLP:Comparison with measurements[J].OeeanEngineering.2006,33(1).

[6]Faltinsen O M.Sea Loads on ships and offshore structure.Cabridge University Press.

[7]Newman JN.The drift force and moment on ships in waves[J].Ship Research,Vol 11,1.

[8]Newman JN.Second order,slowly varying forces on vessels in irregular waves[J].Proc Int

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