諸浩君, 張智偉, 蘇冠瑜, 張 竹

(1.上海海灣新能風力發(fā)電有限公司, 上海 200433; 2.浙江金風科技有限公司, 浙江 溫州 325799;3.北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司, 北京 100023)

在海上風電場的建設中,甲板駁船將風電機組設備從發(fā)運碼頭運輸?shù)胶Ｉ蠙C位安裝地點,?？吭诎惭b船側(cè)面等待著機組設備的過駁吊裝,等待期內(nèi)以及過駁過程中運輸駁船的系泊安全,對現(xiàn)場安裝進度和海上安全操作具有至關(guān)重要的影響。特別是甲板駁船在風機設備過駁吊裝的過程中,其合理的錨泊方案,能夠保持船舶處于穩(wěn)定狀態(tài),有利于風電設備的安全起吊作業(yè)和現(xiàn)場設備及人員的安全,確?，F(xiàn)場安裝順利進行[1-2]。

國外的海上風電機組設備的運輸一般采用具有運輸和安裝一體化能力的風電安裝船來進行,因為其風場所處的海域水深較大,風浪環(huán)境條件惡劣,不適宜甲板駁船的運輸和停泊作業(yè)。相對而言,國內(nèi)的海上風場大多數(shù)布置在沿海地帶,水深較淺,從淺灘到40 m左右,風浪條件較為溫和,且甲板駁船資源充沛,應用廣泛,經(jīng)常出入從北到南的國內(nèi)各個港口碼頭,深受風場業(yè)主和風機廠商的歡迎。因此,研究以甲板駁船為對象的海上錨泊方案設計,對提高海上駁船過駁吊裝風電機組的作業(yè)效率和保障海上風場建造的安全進行起著至關(guān)重要的作用。

成海亮等[3]對典型的系泊方案進行了水動力數(shù)值模擬分析,為運輸甲板船舶的系泊方案的選擇提供了一定的理論依據(jù)。路寬等[4]針對不同錨系形成對平臺的動力響應進行了分析比較,對張緊式和帶浮筒的倒S松弛式兩種錨泊系統(tǒng)在極端風浪聯(lián)合作用下的水動力性能進行了試驗研究,結(jié)果表明倒S松弛式錨系抵抗極端環(huán)境的能力更強,為海上平臺的設計提供了參考依據(jù)。黃山田等[5]以“藍疆號”在KJO(Khafji Joint Operations)油田中進行IWJ-6平臺的安裝為例,介紹了安裝錨泊的方案設計,為類似工程提供了參考。金良安等[6]利用模擬實驗裝置研究了錨鏈質(zhì)量對錨泊時錨鏈振動頻率的影響,結(jié)果表明錨鏈越重,其振動頻率越大。

以風電航運市場上應用頻率最高的排水量5 000 t運輸駁船為對象,介紹當前海上風電項目普遍采用的3種?？垮^泊方式[7],并通過數(shù)值分析方法模擬船舶的運動響應以及錨泊系統(tǒng)的張緊力大小,詳細對比3種錨泊方式的優(yōu)缺點和適用范圍。

1 系泊方案

在海洋環(huán)境中,船舶容易受到外部環(huán)境力(包括海風、波浪、海流力)的作用而發(fā)生隨機晃蕩和振動運動[8]。但海上安裝作業(yè)需要船舶保持一定的穩(wěn)定性,并約束船舶的位移范圍和搖動幅度,故廣泛用于工程船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)物定位作業(yè)的錨泊定位系統(tǒng)便應用在運輸甲板駁船的停泊作業(yè)中。

1.1 單船四錨定位

運輸甲板駁船承運風電機組設備到達海上風場指定機位點后,通常采用懸鏈線錨泊布置的形式[9],在船頭和船尾呈八字形各拋出兩個錨和兩根錨索來固定船舶,如圖1所示。在擾動力作用下,懸鏈線錨泊系統(tǒng)中的若干錨索被拉伸,產(chǎn)生的水平回復力與外力相平衡,從而保持船舶的穩(wěn)定。這種四錨配置的船舶具有投資少、使用和維修方便的特點,能夠適應較惡劣的海洋環(huán)境,深受業(yè)主和船東的認可。

圖1 甲板駁船的四錨定位方案

在江蘇鹽城大豐和廣東陽江沙扒的海上風場里,駁船運輸葉片和主機設備經(jīng)常使用這種四錨定位的方式停泊在機位點的安裝船旁邊,尤其在4.5 MW和6.0 MW的大功率機組吊裝項目里。

1.2 雙船靠泊定位

在海上風電建設搶裝潮期間,一些運輸甲板駁船沒有配置四錨定位的錨系設備仍然承擔著海上風電機組的運輸任務,待趕往海上風場指定機位點后,需要借助老錨船來停駐移位,才能完成機組設備的交付任務,如圖2所示。此時,老錨船仍然采用四錨定位的方式來穩(wěn)住船體,而運輸船則緊挨在其一側(cè),并在船間放置防撞碰球和帶上交叉纜繩來約束彼此之間的相互運動,形成一個整體來共同抗衡外部風浪流環(huán)境力的作用。

圖2 甲板駁船的雙船靠泊方案

在福建福州平潭外海的2021年海上風電搶裝潮里,海上風電業(yè)主為加快風場建設的進度,租用排水量為10萬t的新光華半潛船作為中轉(zhuǎn)靠泊船只,方便那些錨泊定位能力差的運輸駁船靠泊過來轉(zhuǎn)移風電機組設備,便使用了這種雙船靠泊的定位方式,用于6 MW和8 MW的較大功率機組的安裝項目。

1.3 樁靠停泊定位

在水深較淺(<10 m)的海上風電場,海況相對溫和,一些施工方因地制宜地在機位安裝點附近布設兩根以上的鋼管樁,以供運輸甲板駁船靠泊定位,完成機組設備的過駁吊裝,如圖3所示。

圖3 甲板駁船的樁靠停泊方案

在江蘇南通如東的海上風場建設過程中,當?shù)仫L場所處海域的水深較淺,拋錨定位的方式對運輸駁船的穩(wěn)定停泊作用不大,當時的施工方便因地制宜地利用多余的管樁材料執(zhí)行這種靠樁停泊方案,效果明顯,為當時業(yè)主安裝4.5 MW的風電機組提供了極大的方便,保障了現(xiàn)場施工進度的順利推進。

2 系泊分析計算模型

以載重噸(dead weight tonnage,DWT)5 000 t運輸甲板駁船為研究對象,表1為該船的主要參數(shù),使用ANSYS建立三維數(shù)值模型,而系泊分析主要是計算在風、浪、流載荷共同作用下船舶錨泊系統(tǒng)的錨鏈張緊力及船舶運動的響應,因此只需建立船舶的濕表面模型進行相應的水動力分析。由于船體左右對稱,故只需建立半船模型,再用對稱的方法完成整船建模[11]。圖4所示為運輸駁船的面元網(wǎng)格劃分,其網(wǎng)格形狀通常設計為四邊形。

表1 DWT5000 t駁船主要參數(shù)

圖4 駁船的網(wǎng)格劃分

根據(jù)船舶的主尺度和相關(guān)規(guī)定,選用鏈徑為42 mm的錨鏈和60 mm的帶纜繩。表2為錨鏈和纜繩的主要參數(shù)。

表2 錨鏈、纜繩的主要參數(shù)

該駁船的外部環(huán)境力體現(xiàn)為風浪流3種外力,其中的風力和流力在AQWA Workbench里會根據(jù)船舶外表面的面積來計算0°～360°的風力系數(shù)和流力系數(shù),而波浪力則使用波浪定義添加。

該駁船系泊系統(tǒng)的纜繩需要通過駁船上導纜孔的位置和海底錨點的位置來設計,即根據(jù)船舶的型寬和原點位置,和設置的錨鏈長度來估算。在AQWA Workbench模塊里設置好導纜孔和錨點的位置,定義好錨線的屬性,將導纜孔和海底錨點用錨線連接起來。至此,整個系泊有限元模型建立完畢。圖5所示為駁船四錨定位的有限元模型,其他兩種系泊方案的模型類似。

圖5 駁船的四錨定位系泊模型

3 系泊計算分析結(jié)果

3.1 單船四錨定位

為了分析船舶錨泊系統(tǒng)隨風、浪、流載荷的響應情況[12-13],針對單船四錨定位的系泊條件,選取了4種有義波高分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m,定常風速為13.8 m/s和定常流速為0.9 m/s作為外部影響的設計環(huán)境條件。

海上風浪流的來向通常為不同方向,出于保守分析,假定風、浪的作用方向相同,而海流沿船長方向。因此,通過時域分析的計算方法,得到4種波高情況下的風電機組設備過駁吊裝時船舶的最大運動幅度和最大系泊力,見表3和表4。

表3 四錨定位的最大運動幅度

表4 四錨定位的最大錨鏈力

由以上結(jié)果得到,單船四錨定位的方案可使運輸駁船的錨鏈力的安全系數(shù)在1.5 m有義波高的情況下能夠滿足設計要求,且船體的運動位移控制在2 m以內(nèi),橫搖幅度在1°以內(nèi)。

3.2 雙船靠泊定位

運輸船和老錨船通過船間的交叉纜繩捆綁在一起,并通過老錨船的四錨定位系統(tǒng)成為一個整體來抵抗外部環(huán)境力的作用。但在數(shù)值模擬的初平衡狀態(tài)求解中,仍需要在運輸船的艏艉位置各拋一根纜繩,運輸船才能抵抗各個方向的環(huán)境載荷的作用,而使船體保持穩(wěn)定。運輸船靠泊老錨船在有無艏艉錨的情況下的初平衡狀態(tài)結(jié)果見表5。圖6所示為270°風浪(即從老錨船沒有靠泊的那一側(cè)吹過來)作用下運輸船沒拋艏艉錨的初平衡狀態(tài)。

表5 運輸船靠泊老錨船的初平衡艏搖姿態(tài)

圖6 運輸船的大角度艏搖的初平衡姿態(tài)

針對雙船靠泊的作業(yè)環(huán)境限制[10],只選取了3種有義波高分別為0.5、1.0、1.5 m進行外部環(huán)境載荷的設計分析,得到運輸船舶的最大運動幅度和纜繩張緊力大小,見表6、表7。

表6 運輸船在0.5、1.0、1.5 m波高的最大運動幅度

表7 雙船靠泊時的運輸船在0.5、1.0、1.5 m波高的最大纜繩力

由以上結(jié)果可知,雙船靠泊定位方案里在1.0 m有義波高的情況下,錨鏈的張緊力能夠滿足設計要求(小于許可的最大破斷力75 t),船間交叉纜繩的拉力也小于最大破斷力56 t;而船體的運動位移控制在1.0 m以內(nèi),但橫搖幅度大于3°了。

3.3 樁靠停泊定位

圖7所示為運輸船的樁靠布置模型,可見運輸船挨在兩根預先固定好的鋼樁上,并在同側(cè)引出4根纜繩繞樁固定,從而穩(wěn)定船舶,限制運動;其在有義波高分別為0.5 m和1.5 m的情況下時域模擬計算的最大運動幅度和纜繩張緊力大小統(tǒng)計在表8、表9中。

表8 運輸船在0.5 m和1.5 m波高的運動幅度

表9 樁靠工況下0.5 m和1.5 m波高的最大纜繩力

SMST為尾平行纜;CMST為尾交叉纜;CMBW為首交叉纜;SMBW為首平行纜圖7 運輸船的樁靠布置模型

由以上結(jié)果可知,樁靠停泊定位方案里在0.5 m有義波高的情況下,系樁纜繩的拉力達到127 t,遠超過允許的破斷力56 t;而船體的運動位移能控制在0.5 m以內(nèi),橫搖幅度也能小于2°。

4 結(jié)論

介紹了海上風場建設中對運輸駁船普遍采用的3種錨泊方案,并對這3種系泊方式進行了相應的數(shù)值模擬計算,分析了船舶的運動幅度和纜繩力的變化。從限制船舶運動的幅度和海上現(xiàn)場施工的難度來看,單船四點錨泊的系泊方案較優(yōu),廣泛出現(xiàn)在海上風場項目里,而雙船靠泊方案次之,樁靠停泊方案則視現(xiàn)場施工作業(yè)的環(huán)境條件決定,一般在極個別風場采用,且要求風浪條件相對溫和一些。

因此,在海上風場對于運輸甲板駁船進行靠泊定位,建議采用單船四點錨泊方案。為了約束船舶的運動幅度和保持穩(wěn)定,提高運輸駁船的作業(yè)波高限制,并同時滿足規(guī)范對于系泊力安全系數(shù)的要求,單船四點錨泊方案需要針對具體的項目進行定制化的優(yōu)化設計。

雙船靠泊和輔助樁靠泊的系泊方案需要設置較多的系泊纜繩,如在船間系上交叉和平行纜繩,還在運輸駁船的艏艉各拋出一根纜繩,未及四點錨泊方案的簡易便捷,且僅適用于海上風浪流環(huán)境條件比較溫和的情況(1.0 m波高以下);況且隨著波高的增大,船舶發(fā)生艏搖偏移的風險也在增大。