大型組塊浮托系泊系統設計分析

匡 楊 李立濤 秦立成 王 燕 王振興 張博文 李 鵬

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 概述

近幾年來，海洋工程為保證大型駁船、復雜海域浮托作業要求，保證浮托作業施工安全可靠，在運輸駁船甲板增加錨機系泊系統用于控制運輸駁船，使其平穩就位[1-4]。目前海工自有運輸船舶海洋石油221，海洋石油228，海洋石油229均可外加錨泊系統完成萬噸級大型組塊的浮托作業。

系泊系統包括150 t錨機、滑輪導向、錨纜、浮筒及15 t大抓力錨等，同時設計了一套可翻轉滑輪系統，實現錨泊系統位置轉換，確保了駁船順利就位。

2 浮托系泊錨機設備及相關附屬設備

目前海工根據浮托海域環境條件和運輸駁船來設計系泊系統，一般分為4點，6點和8點錨系，并配備相應的輔助設備完成浮托作業。本文以秦皇島32-6CEPI組塊為例，介紹錨系系泊計算分析。秦皇島32-6CEPI組塊于2014年6月完成海上浮托作業，該浮托錨系系統采用4點錨系布置與海洋石油228，同時因水深為21.88 m不需要預布錨系。

目前海洋工程擁有8臺150 t系泊錨機可用于浮托作業中。該絞車為液壓移船定位錨機，中間層額定拉力為150 t(卷筒鋼絲繩第4層)，滾筒剎車能力不小于350 t，額定線速度0 m/min～15 m/min，自由放繩速度 200 m/min；滾筒鋼絲繩直徑為76 mm，鋼絲繩最小破斷載荷(MBL)為400 t，滾筒容繩量為1 500 m；絞車配套HPU和控制單元。

水平滾輪配合150 t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350 Te，試驗載荷不低于1.1倍MBL，根據不同位置需求分為90°使用角、130°使用角和150°使用角。翻轉式水平滾輪配合150 t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350 Te，試驗載荷不低于1.1倍MBL，115°使用角。360°旋轉導纜器配合150 t系泊絞車鋼絲繩使用，工作載荷350 Te，試驗載荷不低于1.1倍MBL。

3 錨系系統計算分析

3.1 錨系設計標準

根據GL Noble Denton 0032/ND系泊系統的布置需考慮浮托作業的限制環境條件以及運輸船總體布置計劃，并且結合船舶運動分析和系泊分析，確定系泊絞車規格和數量，并以此進行臨時導纜樁、帶纜樁的選擇與設計。在實際工程計算中采用時域分析法(附加質量，阻尼和波浪力)預測運輸駁船運動和錨泊纜繩張力，計算時長為3 h，并考慮多種環境組合；秦皇島32-6CEPI組塊錨泊設計標準為：

通常要求拖曳錨的安裝位置誤差應控制在50 m以內；

錨距離水下結構物的水平距離應不小于100 m；另外，若跨越海底管線、電纜等水下結構，錨應布置在系泊纜與海底管纜交叉點的300 m水平徑向范圍之外。

錨纜張力完整工況動態安全系數為1.67(據表1選擇)。

15 t大抓力錨無上拔力；若一根錨系損壞，可以承受部分上拔力，但上拔力應小于錨的重力；

錨纜與海底管線垂直間隙最小值為5.47 m(25%水深，見表2)。

表2 錨纜與海底管道垂直間隙

3.2 環境條件

秦皇島32-6CEPI組塊錨泊系統設計中考慮兩個工況：待命工況和操作工況；計算過程中假定風和流與波成線性關系；同時考慮錨系布置不對稱性，浪向取0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。詳細環境條件見表3。

表3 計算分析環境條件

3.3 錨系計算

Newmark積分法用于錨泊系統時域分析計算中，時間步驟為0.2 s，每次模擬的持續時間為3 h。分析中波浪采用JONSWAP譜模擬；風采用NPD頻譜模擬1 min平均風速，受風面包括上部結構和甲板設備,DSF,滑道和駁船干舷；流被認為是在恒定速度。采用拖曳面和莫里森方程計算相對流速。對于待命工況,駁船和船頂被建模為一個具有6自由度的單剛體,在時域模擬中,因為駁船和船頂之間的相對運動是微不足道的,相互作用載荷并不令人擔憂。

3.3.1待命工況

表4中列出秦皇島32-6CEPI組塊待命工況和操作工況時環境條件，風、浪和流為共線性，這樣選取較為保守。表4顯示了待命工況下各錨纜最大張力，其發生在錨纜SPM_FS(90°浪向，Tp=8.66 s)，最大張力為171.2 t(安全系數2.24>1.67)(見表5)。

表4 錨纜最大張力(待命工況)

表5 錨纜張力(90°浪向，待命工況) t

通過動力學分析研究了在待命工況下錨纜和管線之間的最小垂直間隙，最小垂直間隙發生在系泊張力最小時。計算結果顯示錨纜SPM_FP的最小張力為9.3 t(90°浪向，Tp=8.66 s)，錨纜SPM_FS的最小張力為 5.6 t(315°浪向，Tp=8.66 s)。錨纜SMP_FP與管線之間的最小垂直間隙分別為13.76 m,15.68 m,14.43 m,15.22 m,12.17 m,13.79 m和16.35 m，錨纜SPM_FS與管線之間的最小垂直間隙為6.40 m,13.33 m和8.50 m，均大于5.47(25%水深)。

通過MOSES計算15 t大抓力錨是否有上拔力，計算結果顯示錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長度發生在SPM_FP和SPM_FS纜繩。表6顯示SPM_FP纜繩最小臥纜長度為57.2 m，各錨纜無上拔力。

表6 錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長度(待命工況)

3.3.2操作工況

表7顯示了操作工況下各錨纜最大張力，其發生在錨纜SPM_FP(270°浪向)，最大張力為139.9 t(安全系數2.86>1.67)。

表7 錨纜最大張力(操作工況)

通過動力學分析研究了在操作工況下錨纜和管線之間的最小垂直間隙，最小垂直間隙發生在系泊張力最小時。計算結果顯示錨纜SMP_FP的最小張力為28.3 t(45°浪向)，錨纜SMP_FS的最小張力為27.2 t(315°浪向)。錨纜SMP_FP與管線之間的最小垂直間隙分別為11.32 m,13.37 m,15.58 m和15.56 m，錨纜SPM_FS與管線之間的最小垂直間隙為22.34 m和25.68 m，均大于5.47(25%水深)。

通過MOSES計算15 t大抓力錨是否有上拔力，表8顯示SPM_FP纜繩最小臥纜長度為58.18 m，各錨纜無上拔力。

表8 錨纜最大張力和錨纜臥纜最小長度(操作工況)

4 結語

國內海洋工程浮托越來越依賴錨系，安全，可靠，操作簡便，大大提高了浮托作業效率。目前浮托作業根據施工海域和船舶可設計4點錨系，6點錨系和8點錨系進行輔助作業，通過設計過程中使用MOSES進行錨系分析，用SESAM進行時域分析校核，同時可利用模型試驗與數值計算結果相互驗證。經過一系列優化得出系泊錨纜的長度、直徑及設計角度等結果。此外，由于浮托現場部分系泊錨纜底部有管線，設計中要選取合理位置施加浮筒，經過反復計算優化浮筒的尺寸和浮筒固定纜繩的長度，得出最優的系泊設計方案。