吸力筒式導管架浮卸下潛穩性分析

劉志恒，袁夢，付紹洪

(中遠海運特種運輸股份有限公司，廣州 510623)

吸力筒式導管架近年來大量應用于海上風電項目，如福建長樂、廣東陽江海上風電項目。吸力筒導管架可以采用干拖、濕拖、半濕拖3種形式進行海上運輸，運輸至目標地點后，利用起重船或利用拖船輔助進行安裝。拖船輔助安裝是將自浮吸力筒導管架拖航到指定位置，利用全回轉拖船幫靠定位，然后利用筒頂潛水泵抽吸進行安裝。起重船安裝方式費用較高，且對起重船舶資源依賴性強，經常不能滿足工期需求；拖船輔助安裝則必須采用濕拖的運輸方式，而濕拖運輸速度較慢，且受風浪等環境條件的影響較大不利于運輸安全。為此，考慮利用半潛船進行干拖運輸，到達施工地點后下潛浮卸吸力筒導管架，再利用拖船輔助安裝，既能保證運輸的安全高效，又能節約安裝的成本，靈活性強。如能實現這種干拖浮卸的安裝模式，將可提高海上風電施工的效率和安全性。吸力筒導管架干拖運輸和拖船輔助安裝已有大量經驗，但利用半潛船下潛浮卸吸力筒導管架，目前國內還沒有先例，也未見對半潛船浮卸吸力筒的下潛穩性的研究報道。為驗證浮卸作業下潛穩性的可行性，以某半潛船浮卸2套吸力筒導管架為例，推導吸力筒氣浮力計算方法，建立吸力筒穩性計算模型，計算半潛船浮卸吸力筒下潛穩性，并將計算結果與規范要求進行對比分析。

1 吸力筒氣浮力模型

吸力筒以氣浮體的形式漂浮于海上，主要利用筒內受壓后的壓縮氣體將水體排開產生浮力。由于氣體具有可壓縮性,氣浮體和實浮體在同一吃水下的浮力不同。為了評估吸力筒在下潛過程中的穩性，需要計算吸力筒在不同吃水下的浮力情況。為此，建立吸力筒氣浮力理論模型，計算不同規格吸力筒的氣浮力。

為了簡化模型，在計算吸力筒吃水和浮力時，筒體結構體積和溫差忽略不計。假設吸力筒為圓柱體，筒內的氣體為理想可壓縮氣體，在不漏氣、不充氣的情況下，氣體的體積、壓強的關系為

=

(1)

式中：為海平面處的大氣壓力；為筒體內部氣壓時對應的氣體體積;、分別為吸力筒在某一漂浮狀態時筒內的氣體壓力和體積。

吸力筒氣浮狀態模型見圖1。

圖1 吸力筒氣浮狀態模型

設筒高為，筒的直徑為，筒底中心距筒內氣-水交界面的垂直距離為(筒內液面高度)，筒內氣-水交界面距水面的距離為(筒體排水高度)，水面到筒頂中心的垂直距離為(筒體干舷高度)，筒體截面積為。在某一吃水的狀態下，筒內氣壓可表示為

=(+0)

(2)

式中：0為海平面處的大氣壓力對應的水柱高度；為水的密度。

=+

(3)

=-=+

(4)

(5)

將式(2)～(5)帶入式(1)可得

(+0)·(+)/cos=

0···

(6)

由此可得筒體排水高度與筒體吃水的關系為

(-+0)]

(7)

筒體排水高度產生的排水體積即為吸力筒的浮力，筒體吃水時的浮力為

(-+0)]

(8)

2 典型運輸案例

2.1 半潛船參數

半潛船參數見表1，總體布置見圖2。

表1 某2萬t級半潛船參數

圖2 某2萬t級半潛船總布置示意

2.2 吸力筒導管架參數

吸力筒導管架外形見圖3。

圖3 吸力筒導管架主結構示意

每個導管架帶有4個相同的吸力筒，筒體中心間距為20 m。吸力筒有不同的直徑和高度，其中吸力筒直徑分別為10、11、12和13 m，吸力筒高度分別為8.5、9.0和9.5 m，單套吸力筒導管架重量約1 100～1 200 t，重心高約22.4 m。

2.3 配載方案

半潛船干拖運輸吸力筒導管架配載方案見圖4。

圖4 半潛船運輸吸力筒導管架配載方案

考慮下潛過程中浮力左右均衡，導管架配載方向與船舶方向一致，即吸力筒形成的正方形1條邊沿船長方向，1個邊沿船寬方向。另考慮下潛穩性和浮卸操作，2套吸力筒導管架前后布置。為便于下文描述，參圖4將2個導管架的吸力筒分成4組，從船艏到船艉分別為A/B/C/D組，每組包含左右2個吸力筒。

3 下潛穩性計算分析

3.1 吸力筒下潛氣浮力計算

按照吸力筒導管架參數，計算不同筒體吃水和氣浮力的對應關系，用于計算下潛過程中的重量；同時計算和的對應關系，用于建立實浮體下潛模型。代表吸力筒直徑，代表吸力筒高度，表2中13-95代表吸力筒直徑為13 m，高度為9.5 m，具體計算結果見表2、3和圖5、6。

表2 單個吸力筒在不同吃水時的氣浮力

表3 單個吸力筒在不同吃水時的筒內液面高度

圖5 不同吃水時單個吸力筒的氣浮力

圖6 單個吸力筒在不同吃水時的筒內液面高度

3.2 吸力筒下潛穩性計算模型的建立

實浮體相當于實體支承于水彈簧上，而氣浮體則相當于支承在水彈簧與氣彈簧的串聯彈簧上。水彈簧與氣彈簧串聯后的彈性剛度將小于獨立的水彈簧彈性剛度，因此在同樣位移下氣浮體的抗力(矩)小于實浮體的抗力，即穩性差。為了評估半潛船運輸吸力筒導管架浮卸下潛穩性，需要將吸力筒氣浮體轉化為實浮體模型。

利用半潛船穩性軟件ELOAD，加入吸力筒等效實浮體模型，形成整體下潛穩性計算模型。吸力筒在不同吃水下，產生的氣浮力不同，對穩性的貢獻也不相同。由表3可得筒體排水高度。建立實體等效模型時僅保留水下筒體排水高度，即在原浮力筒的基礎上減掉的高度，保留吸力筒的水線面形狀。入水越深的吸力筒，筒內的液面高度就越大，等效成實浮體后，底部距離甲板就越高，如圖7示例，靠船艏的吸力筒底部比較高。按此方法，將下潛過程分成不同階段，分別計算吸力筒水下等效實浮體的高度，步進式的進行下潛穩性評估。保守起見，選擇直徑小、重量重的吸力筒導管架進行建模分析。

圖7 浮卸吸力筒導管架下潛穩性計算模型示例

為增大水線面面積，提高下潛穩性，半潛船一般采用縱傾模式下潛。因此，吸力筒剛入水時，在沒有形成封閉空間之前，筒內會有一定的氣體流出，從而減少整個筒體的氣浮力。以半潛船艏傾兩度下潛為例，根據式(8)，計算吸力筒下潛過程中的氣浮力，并對流出氣體的氣浮力進行修正，最終建立等效實浮體模型。

3.3 下潛穩性法規要求

中國海事局對半潛船下潛穩性有明確規定，對應本次穩性分析，具體要求如下。

3.4 浮卸下潛穩性計算結果

對照規范要求模擬浮卸下潛的操作過程，將下潛過程分為8個步驟，具體穩性評估的步驟及計算結果說明如下。

圖8 半潛船浮卸吸力筒導管架下潛示意

表4匯總了下潛穩性計算結果，并與法規要求進行對比，浮卸下潛穩性結果滿足法規要求。

表4 半潛船浮卸吸力筒導管架下潛穩性計算結果 m

4 結論

1)半潛船浮卸吸力筒導管架，下潛穩性可以滿足法規要求。利用半潛船干拖運輸吸力筒導管架，下潛浮卸進行安裝是一種可行的施工方法。

2)吸力筒氣浮體與實浮體的浮力差異，可以通過理論計算的方法進行換算，可以估算吸力筒下潛過程中的氣浮力。

3)將氣浮體換算成實浮體后建立模型，可以模擬吸力筒氣浮體的下潛過程，評估半潛船浮卸吸力筒導管架的下潛穩性。

隨著海上風電行業的迅速發展，海上施工船舶的需求顯著增加，起重船資源短缺，一方面造成了成本增加，另一方面也不能保證工期。利用半潛船浮卸安裝吸力筒導管架的方法，可為海上風電施工提供一種新型解決方案，可以有效緩解船舶資源的壓力，降低安裝成本，適應市場需求，對于運輸和安裝海上風電導管架、發展海上清潔能源具有現實意義。