鉆井平臺拖航阻力計算

李偉峰，史國友

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

鉆井平臺拖航阻力計算

李偉峰，史國友

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

為有效計算已知條件下鉆井平臺所受外界環境的合作用力，以確定拖航時拖船數量和功率的配備或評估拖航作業是否安全，參照相關行業領域的規范，對拖航時鉆井平臺所受風、流和浪作用力分別進行計算，并通過力的合成原理計算其所受合外力，并以某鉆井平臺為例進行計算，計算結果與實際情況基本一致，證明該計算方法可行。

鉆井平臺；拖航；阻力；風作用力；流作用力；波浪作用力

在海上拖航運輸中，通過理論計算得到拖航阻力的準確數據是比較困難的，它涉及到風、浪、流等外部作用力及平臺的具體形式，但較準確估算被拖物的拖航阻力，對選擇合適的拖船，滿足規范的要求，確保整個拖航航次的安全、經濟和有效都具有十分重要的意義[1]。中國船級社指導性文件《海上牽航指南》[2](1977)對保證海上拖航作業安全起到了非常重要的作用，其推薦的“海上拖航阻力估算方法”是目前拖航運輸中對被拖物進行阻力估算最常用的方法之一。但這種方法僅僅估算了摩擦阻力、剩余阻力以及風阻，并沒有給出波浪阻力的計算方法；Nobel Denton的《海上牽航規范》[3]中對牽航阻力有明確的要求，但并沒有給出具體的計算方法；流體力學(CFD)軟件可以用來計算海上結構物的受力情況[4]，但需要首先建立結構物的三維模型，鉆井平臺結構復雜，建立完善的三維結構模型并進行合理的網格劃分需要耗費很大的精力和時間，在應用中受到很大限制；一些海工組織或機構通過軟件DrillWind和FnGWind來計算海上建筑物的風荷載[5]，但這些軟件需要建立海上結構物的外部輪廓模型，比較復雜，使用不便；另外，鉆井平臺拖航阻力還可以通過模型水池實驗方法進行求取，雖然計算精度較高，但該方法需要大量的人力和物力，經濟性較差。

考慮依據《港口規劃與布置》[6]對鉆井平臺所受風作用力進行計算，依據《港口工程荷載規范》(JTJ215-98)[7]對鉆井平臺所受流作用力進行計算，依據《海港水文規范》[8]對鉆井平臺所受波浪作用力進行計算，并通過力的合成原理求取其所受合外力，為確保拖航過程的安全提供理論依據。

1 鉆井平臺受力分析與計算

鉆井平臺拖航時所受外界環境的作用力由以下3個組成：風作用力、流作用力和波浪作用力[9]。

1.1 風作用力

在風作用力的計算上，《港口規劃與布置》和《港口工程荷載規范》中采取了不同的計算方法，計算結果略有不同，但《港口規劃與布置》的計算結果較《港口工程荷載規范》的計算結果略微偏大[10]。為了安全起見，在此采用前者的計算方法，所以拖航鉆井平臺所受風作用力根據下式進行計算。

(1)

式中:Fa為鉆井平臺所受風作用力，N；ρ為空氣的密度,0.123 kg·s2/m4；V為相對風速；θ為風舷角，即風向與船體艏艉線的夾角，見圖1；C為風壓系數，由式(2)計算。C=1.325-0.05cos(2θ)-

(2)

式中:θ為風舷角，如果橫風，θ=90°；A為船舶水面以上部分的正投影面積，m2；B為船舶水面以下部分的側投影面積，m2。

A和B的值計算分滿載和壓載兩種情況，式(3)和式

(3)

(4)

式中：DW為船舶載重噸位。

通常情況下，風壓力的方向與風舷角并不完全一致，他們之間存在一定的關系[11]。風壓力的方向又稱風壓力角，具體計算方法見式

(5)

1.2 流作用力

(6)

式中：Fc為水流對船舶的作用力，kN；C為流作用力系數，可以參照式(7)計算；ρ為水的密度，t/m3；V為水流相對于船舶的速度，m/s；S為船舶水線下的表面積，m2，可以參考式(8)計算。C=0.046Re-0.134+b

(7)

式中：b為系數,與船型有關，不同船型數值不同，可以查取,在此取0.015；Re為雷諾數,Re=V·L/υ。

其中，V為水流相對于船舶速度；L為船舶當時水線的長度；υ為水的運動粘性系數，與水溫有關,按平均水溫15 ℃時取1.14。S=1.7LD+CbLB

(8)

式中：D為船舶吃水；B為船寬；Cb為船舶的方型系數，在此近似取0.825。

1.3 波浪作用力

在海上工程設計時，波浪作用力通常采用數值計算，需要詳細的船舶資料和波浪資料[12]。波浪作用力的計算參考交通部行業規范《海港水文規范》中波浪對固定柱形物體作用力計算公式計算。當波向線與固體軸線成45°夾角時，波浪最大水平作用力計算見式

(9)

式中：Fw為波浪對柱體的作用力，kN；r為水的比重；H為波高，m；L為波長，m；l為柱體斷面對角線長度；D為船舶吃水，m；d為水深，m。

2 鉆井平臺所受合力計算

2.1 建立船舶平面坐標系

按照航海習慣方法，以船舶中心為原點O，以船長(縱向)方向為X軸，以船寬(橫向)方向為Y軸建立平面坐標系，見圖2。圖2中，Fa為風作用力；α為風壓力角(風作用力與船舶艏艉線的夾角)；Fc為流作用力；β為流作用力與船舶艏艉線的夾角；Fw為波浪作用力；γ為波浪作用力與船舶艏艉線的夾角。

2.2 合力計算

根據力的分解原理，風作用力可以分解為X軸和Y軸方向的2個分力。

同理，流作用力可分解為

流作用力可分解為

船舶所受合力為Ft=Fa+Fc+Fw=

(13)

所以，船舶所受合外力大小為

(14)

3 實例計算

以我國某鉆井平臺資料為例進行計算，以驗證該計算方法的可行性。

3.1 鉆井平臺資料

總長：56.00m;總寬：48.88m;型深：6.56m;拖航時平臺吃水：4.00m。另外，根據海圖資料，拖航航向090，拖航速度4.5kn。

3.2 計算環境條件

中國船級社《海上牽航指南》和NobelDenton海上牽航規范中規定，對拖航阻力進行估算時應考慮的環境條件見表1。

表1 鉆井平臺拖航環境條件

3.3 計算結果

根據前述對風作用力、流作用力和波浪作用力計算公式，將表1數據代入，可以計算鉆井平臺所受風作用力、流作用力、波浪作用力和合作用力及其方向，見表2。

表2 鉆井平臺受力計算結果

另外，在同樣的外界環境下，針對不同拖航速度下的拖航阻力分別進行計算，計算結果見表3。將表3中的計算結果標注在鉆井平臺拖航阻力曲線圖上，并連接成平滑的曲線，如圖3中虛線所示，實線為鉆井平臺拖航阻力曲線。通過比較不難看出，兩線吻合程度較高，尤其在低速拖帶下兩線幾乎完全吻合。證明該計算方法能夠比較真實的估算出鉆井平臺拖帶時的阻力大小，具有一定的使用價值。

表3 不同拖航速度下的阻力計算結果

4 結論

1)計算結果與鉆井平臺的拖航阻力曲線高度吻合，尤其是在低速拖航時吻合度最高。

2)在拖航速度較高時，計算結果與拖航阻力曲線吻合度略有降低，但本計算方法的計算結果較拖航阻力曲線略大，不會影響拖航的安全性。

3)在風作用力計算時，要注意風作用力的方向和風舷角的方向是不同的。

4)在波浪作用力的計算上，本計算方法較數值計算或軟件計算簡便、實用、快捷。

5)從本計算結果和阻力曲線可以看出，拖航阻力隨拖航速度的增加而增加，因此，在拖航時應嚴格控制拖航速度，保證拖航作業的安全。

[1] 沈浦根.談拖航阻力的估算[J].航海技術，2011(5):8-12.

[2] 中國船級社.海上牽航指南[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3] Nobel Denton. General guidelines for marine transportations[S]. Nobel Denton International Ltd.,2005.

[4] 余建偉.基于CFD的船舶阻力計算與預報研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[5] 杜仲，劉永剛，李偉.自升式平臺拖航阻力評估[J].船舶工程，2014，36:181-184.

[6] 洪承禮.港口規劃與布置[M].北京：人民交通出版社，2007：40-52.

[7] 港口工程荷載規范:JTJ215-98[S].1998.

[8] 海港水文規范：JTS145-2-2013[S].2013.

[9] 沈浦根.拖航阻力的分類與計算[J].航海技術,2007(2):26-27.

[10] 鄒炎焱,楊國豪,徐軼群,等.大型FPSO拖航阻力的計算[J].機電技術,2014(2)：133-135.

[11] 曾驥,尹艷,王超.浮式結構物拖航阻力計算方法探討[J].船海工程,2016,45(1):168-172.

[12] 唐廣銀,杜尊峰.自升式鉆井平臺海上遷航阻力計算研究[J].海洋技術學報,2014(6):18-22.

Calculation of External Load for the Towed Platform

LI Wei-feng, SHI Guo-you

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

It is necessary to calculate the total external load of a platform in order to determine how much power and how many tugs should be arranged or to assess safety when it was towed. A method was given to calculation the total external load of the towed platform including the wind force, current force and wave force, as well as the composition of these forces. Taking a real platform as example, the calculation result was agreed with the real situation, certifying that the calculation method is correct and valuable.

platform; towing; drag; wind force; current force; wave force

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.028

2016-06-20

中央高校基本科研業務費專項經費資助(3132015009)

李偉峰(1983—)，男，碩士，講師

U661.31

A

1671-7953(2017)02-0121-04

修回日期：2016-07-25

研究方向:船舶與海洋工程、船舶智能避碰