跨航道施工非自航船錨泊計(jì)算分析

王懷棟，張捷，張曉丹，張新

（1.中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300457；2.香港海洋投資發(fā)展有限公司，香港 999077）

由于香港天然能源短缺，天然氣供應(yīng)主要依賴內(nèi)地和海外，海底輸氣管道的建設(shè)成為天然氣供應(yīng)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。香港某海底輸氣管道路由跨越航道，為了避免管道不受外界影響且不影響通航，需要通過(guò)預(yù)挖溝施工將輸氣管道埋設(shè)至海床下4m。在預(yù)挖溝施工中除跨越航道外，還存在與已有管道并行等問(wèn)題，導(dǎo)致除風(fēng)、浪、流等自然因素外對(duì)施工船舶的錨纜長(zhǎng)度、錨纜張力提出了更加嚴(yán)格要求。本文針對(duì)跨航道、并行管道條件下的海底管道預(yù)挖溝施工進(jìn)行錨泊分析，從而確定最優(yōu)布錨方案，以滿足施工作業(yè)及安全要求。

1 錨泊分析模型

在預(yù)挖溝施工過(guò)程中，非自航抓斗船沿管道路由方向進(jìn)行多次布錨作業(yè)，考慮到受半通航半施工以及并行管道的影響，根據(jù)每次布錨的極端狀態(tài)，選取對(duì)非自航抓斗船平行路由錨泊狀態(tài)和垂直路由錨泊狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析。

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)DNVGL-ST-N001，線張力極限和設(shè)計(jì)安全系數(shù)如表1 所示。

表1 線性張力極限和設(shè)計(jì)安全系數(shù)

本文采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法進(jìn)行錨泊計(jì)算，完整狀態(tài)和破斷狀態(tài)的安全系數(shù)分別為2.00 和1.43。

1.2 環(huán)境條件

根據(jù)管道路由分布，跨航道海域水深15.00m，施工過(guò)程中要滿足航道半通航要求；管道路由與已有管線存在300m 的平行段，最小間距為90m，錨纜與已有管道之間至少要保證50m 的安全距離，且不能跨越已有管線。

在滿足上述海上施工要求的同時(shí)，考慮風(fēng)荷載、流荷載、波浪荷載等復(fù)雜環(huán)境條件，對(duì)兩種錨泊狀態(tài)設(shè)計(jì)合理布錨方案。施工海域的環(huán)境條件如表2 所示，風(fēng)浪流的主方向如圖1 所示。

表2 環(huán)境條件

圖1 風(fēng)浪流主方向

1.3 船舶參數(shù)

本文中施工船舶為非自航抓斗船，船舶基本參數(shù)如下：

表3 船舶參數(shù)

1.4 錨泊系統(tǒng)

根據(jù)非自航抓斗船的施工特點(diǎn)，錨泊系統(tǒng)由四條錨纜組成，位于船艏的兩條錨纜采用八字錨錨泊方式；位于船艉的兩條錨纜采用交叉錨錨泊方式，以提高船舶的穩(wěn)定性。非自航抓斗船平行路由錨泊狀態(tài)和垂直路由錨泊狀態(tài)的錨纜布置如圖2 所示。各錨纜的角度、長(zhǎng)度以及預(yù)張力詳見表4，錨纜參數(shù)詳見表5。

圖2 錨纜布置圖

表4 錨纜配置

錨纜參數(shù)如下：

表5 錨纜參數(shù)

2 計(jì)算分析

本文采用MOSES 軟件對(duì)船舶錨泊系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力分析和模擬仿真，計(jì)算得出錨纜最大張力、最大上拔力以及船舶六個(gè)自由度的最大運(yùn)動(dòng)幅值。

MOSES 軟件可以進(jìn)行頻域時(shí)域分析，以預(yù)測(cè)在施加波浪、風(fēng)和海流等環(huán)境力作用下的物體運(yùn)動(dòng)。在時(shí)域分析中，MOSES 軟件使用二階Newmark 積分方法，通過(guò)在積分的每個(gè)時(shí)間步使用迭代來(lái)處理非線性外部負(fù)載，可用于模擬非線性外部載荷，如懸鏈線系泊纜。在時(shí)域分析中，MOSES 軟件基于用戶定義的波譜生成一系列具有隨機(jī)相位的波分量，并利用頻域分析中計(jì)算的水動(dòng)力系數(shù)生成波浪力。

在平行路由錨泊狀態(tài)下，如表6～表8 所示，最大錨纜張力為21.16t（2#），最小安全系數(shù)為2.88，最大錨纜上拔力為2.89t（2#）。在船舶的六個(gè)自由度最大運(yùn)動(dòng)幅值中，橫蕩和艏搖較為突出，分別為4.75m 和4.86°。

表6 平行路由布錨的錨纜最大張力

表7 平行路由布錨的錨纜最大上拔力

表8 平行路由布錨的船舶自由度最大運(yùn)動(dòng)幅值

在垂直路由錨泊狀態(tài)下，如表9～表11 所示，最大錨纜張力為11.67t（1#），最小安全系數(shù)為5.23，最大錨纜上拔力為2.60t（1#）。在船舶的六個(gè)自由度最大運(yùn)動(dòng)幅值中，縱蕩和艏搖較為突出，分別為0.24m 和0.38°。

表9 垂直路由布錨的錨纜最大張力

表10 垂直路由布錨的錨纜最大上拔力

表11 垂直路由布錨的船舶六個(gè)自由度最大運(yùn)動(dòng)幅值

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)平行路由和垂直路由兩種錨泊狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的兩種錨泊方案的安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)安全系數(shù)2.0，滿足非自航抓斗船的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)需求。

（2）兩種錨泊方案進(jìn)行對(duì)比分析，垂直路由布錨船舶整體穩(wěn)定性相對(duì)較好，結(jié)合半通航半施工工況條件，因此優(yōu)選垂直路由布錨方案。

（3）如果使用傳統(tǒng)的拖曳埋置錨，則必須保證部署足夠重的錨纜，以防止在完整狀態(tài)下產(chǎn)生上拔力。