林益明，陳超核

（華南理工大學(xué)，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(huán)境（風(fēng)、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(diǎn)問題。

針對錨泊系統(tǒng)的分析，劉應(yīng)中等[1]基于準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)域方法，提出了一種在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下計(jì)算油船運(yùn)動和系泊纜索動力響應(yīng)的方法；羅曉健[2]采用準(zhǔn)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(zhǔn)動力方法用于計(jì)算錨泊張力；Kim, M H[4]等分別采用準(zhǔn)靜態(tài)、半耦合和全耦合分析方法計(jì)算分析了作業(yè)水深為3 000 ft的TLP平臺，結(jié)果表明全耦和分析得到的運(yùn)動幅值要小于準(zhǔn)靜態(tài)或半耦合分析計(jì)算結(jié)果；Chen X H[5]等研究了浮體與立管/系泊系統(tǒng)的動態(tài)耦合相互作用的重要性，分別采用耦合分析方法和準(zhǔn)靜態(tài)分析方法對一個mini-TLP進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)海洋環(huán)境中的錨泊線張力進(jìn)行規(guī)范校核計(jì)算，給出了鉆井船在相關(guān)海域的工作條件要求。

2 原理與方法

2.1 錨泊系統(tǒng)所受載荷

錨泊系統(tǒng)分析，船舶需要考慮波浪力、流力和風(fēng)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(tǒng)產(chǎn)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(jì)算中通常被忽略。

2.1.1 波頻力的計(jì)算[7]

根據(jù)三維勢流理論計(jì)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(chǎn)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(yùn)動，有被動力作用在物體上，物體受到的力叫輻射力?？梢詫懗桑?/p>

其中:xi為浮體的運(yùn)動位移。

將ΦR寫成如下形式：

可以得到：

附加質(zhì)量和阻尼載荷是由于結(jié)構(gòu)物做強(qiáng)迫諧振動所引起的穩(wěn)態(tài)水動力及力矩。附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)是結(jié)構(gòu)物形狀、振動頻率和前進(jìn)速度的函數(shù)；此外，流場的深度和開闊度對附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)也有一定的影響。

2.1.2 二階波浪力的計(jì)算

二階波浪力的表達(dá)式為[8]：

其中：pij為同相位時(shí)域傳遞的部分；Qij為不同相位時(shí)域傳遞的部分。

由于高頻二階波浪力對浮體運(yùn)動影響很小，故忽略了和頻項(xiàng)。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(fēng)載荷的計(jì)算

系泊船舶的風(fēng)力根據(jù)如下公式計(jì)算[9]：

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

2.1.4 流載荷的計(jì)算

系泊船舶的流力根據(jù)如下公式計(jì)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(tǒng)的運(yùn)動方程及其求解

在風(fēng)、流、流的作用下，系泊船舶的時(shí)域運(yùn)動方程如下：

其中：Ms為船舶質(zhì)量矩陣；Madd為附加質(zhì)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(huán)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(yùn)動方程如下：

其中：Mm為錨鏈質(zhì)量；Cm為錨鏈?zhǔn)艿降淖枘?；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(lián)立方程（16）、（17），可獲得船舶與錨鏈運(yùn)動方程的耦合解。

3 海工輔助鉆井船錨泊系統(tǒng)計(jì)算分析實(shí)例

3.1 基本參數(shù)

1）船舶基本參數(shù)

船長110 m，型寬31 m,設(shè)計(jì)吃水6m，排水量16 500 t。

2）錨泊纜參數(shù)

錨泊系統(tǒng)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(tǒng)正常工作的要求

根據(jù)規(guī)范API規(guī)定，在特定海域，回復(fù)周期為10年的環(huán)境條件下，錨泊系統(tǒng)的錨泊纜張力必須滿足安全系數(shù)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(tài)下的安全系數(shù)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(jì)算結(jié)果

3.3.1 在水深100 m錨泊系統(tǒng)分析

根據(jù)規(guī)范要求，在回復(fù)周期為10年環(huán)境條件下（蒲氏風(fēng)級B-8）對錨泊系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，包括兩種狀態(tài)：錨泊線完整的狀態(tài)和一根錨泊線斷裂的狀態(tài)（假設(shè)完整狀態(tài)下受到張力最大的錨泊線斷裂）計(jì)算結(jié)果如下：

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

在一根錨泊線斷裂的情況下，N、NE、E環(huán)境方向的最大張力分別為135、235、155 t，安全系數(shù)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(fù)周期為10年的情況下錨泊系泊是符合規(guī)范要求的。

3.3.2 在特定水深情況下錨泊系統(tǒng)所能承受的最大蒲氏風(fēng)級分析

（1）在水深100 m、蒲風(fēng)9級的情況下

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，N、NE、E環(huán)境方向的最大張力分別為91、136、130 t，安全系數(shù)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(tǒng)在水深100 m、蒲風(fēng)9級的情況下是滿足規(guī)范要求的。

（2）在水深150 m、蒲風(fēng)8級的情況下

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，N、NE、E環(huán)境方向的最大張力分別為72、110、98 t，安全系數(shù)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(tǒng)在水深150 m、蒲風(fēng)8級的情況下是滿足規(guī)范要求的。

（3）在水深150 m、蒲風(fēng)9級的情況下

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在N、NE、E環(huán)境方向的最大張力分別為85、129、123 t安全系數(shù)分別為3.7、2.5、2.6，均大于1.67，但是出現(xiàn)錨泊線海底段長度為0的情況，所以錨泊系統(tǒng)在水深150 m、蒲風(fēng)9級的情況下是不安全的。

（4）在水深200 m、蒲風(fēng)7級的情況下

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在N、NE、E環(huán)境方向的最大張力分別為59、78、78 t，安全系數(shù)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(tǒng)在水深200 m、蒲風(fēng)7級的情況下是滿足規(guī)范要求的。

（5）在水深200 m、蒲風(fēng)8級的情況下

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在N、NE、E環(huán)境方向的最大張力分別為85、97、92 t，安全系數(shù)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(xiàn)為0的情況，所以錨泊系統(tǒng)在水深200 m、蒲風(fēng)8級的情況下是不安全的。

4 結(jié)論

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

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

[1]劉應(yīng)中.系泊系統(tǒng)動力分析的時(shí)域方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1997,31(11).

[2]羅曉健.淺水起重鋪管船定位錨泊系統(tǒng)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(yè)錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)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].