盛 慶 武

（上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海 200233）

1 鋪管作業(yè)概述

鋪管船是一種專門用于海底管線鋪設(shè)的特種工程船舶。固定式托管架連接在船尾，以保證管子在入水時有一個合適的彎曲度，對于淺水近海（10～450m）管道鋪設(shè)，一般采用S形鋪設(shè)方法，管道在下海輸送過程中呈S形變形曲線。此時，張緊器在甲板上施加張緊力，管道下海過程中的張緊力和管線變形必須有監(jiān)控，防止應(yīng)力和應(yīng)變超過管線設(shè)計允許量。

圖1為典型鋪管S曲線，管線分為3部分：直管段、上彎段和下彎段，張緊器控制管線的張力，鋪管船滾輪和托管架滾輪支撐鋪設(shè)的管線。通常，鋪管船需要沿特定的路線前進(jìn)，在行進(jìn)過程中，需要保證鋪管船管線上的應(yīng)力不應(yīng)過高，這需要通過張緊器來保持管子上的張力。管子的允許張力和船舶位置變化的允許公差根據(jù)管子直徑和鋪管位置的水深來確定。

錨泊定位系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，具體表現(xiàn)為：1)由于鋪管船在鋪管作業(yè)時一直向前移動，在移動過程中具有一定的移動速度，在一定距離的移船過程中，錨在固定坐標(biāo)系中的位置始終保持不變，錨泊線隨時間推移其長度發(fā)生變化，具有很強(qiáng)的非線性，直接計算將是非常復(fù)雜的問題；

圖1 典型鋪管S曲線

2)鋪管作業(yè)時，要求船體在特定的環(huán)境載荷作用下水平方向的位移較小，同時導(dǎo)纜孔處的軸向最大張力不大于錨絞車移船的設(shè)計張力，錨上作用的水平方向的拉力不超過錨的最大抓力以及錨的垂向不受力，以避免發(fā)生走錨現(xiàn)象，這樣的約束條件對錨泊定位系統(tǒng)要求較高，需要做深入細(xì)致的研究；

3)由于在船舶設(shè)計初期可能針對特定的海域，或者對指定的海域內(nèi)風(fēng)、浪和流等的統(tǒng)計資料不完備，因此，在鋪管作業(yè)時確定海上的風(fēng)、浪和流等環(huán)境條件比較困難。

2 鋪管作業(yè)時運動響應(yīng)及二階平均波浪載荷響應(yīng)計算分析

3000t鋪管起重船為非自航淺水鋪管起重船，配備輔助推進(jìn)器，可短距離移泊，能夠鋪設(shè)最大水深為300m的海底管線。在主甲板右舷設(shè)有鋪管作業(yè)線，左舷設(shè)有管線儲存區(qū)，船尾設(shè)有固定式托管架。該船總長169.00m，水線間長165.00m，型寬46.00m，型深13.50m。鋪管作業(yè)時使用12點非對稱錨泊定位系統(tǒng)。采用多種專業(yè)軟件和應(yīng)用軟件包括NAPA軟件（船舶總體設(shè)計軟件）、HydroStar軟件（用于評估海上結(jié)構(gòu)物一階及二階波浪載荷和運動響應(yīng)的三維繞射/輻射軟件）、ARIANE 7軟件（系泊分析軟件）和MATLAB軟件（用于計算前后處理和譜分析等）及各自開發(fā)的模塊或程序組成的軟件集成系統(tǒng)，作為3000t鋪管起重船鋪管作業(yè)錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計研究的計算平臺。

2.1 計算典型裝載工況

本文僅限甲板上裝載5000t（滿載）管線100%油水工況進(jìn)行耐波性研究，表1為3000t鋪管起重船鋪管作業(yè)裝載5000t（滿載）管線100%油水工況的浮態(tài)參數(shù)：

表1 裝載5000t（滿載）管線100%油水工況的浮態(tài)參數(shù) m

2.2 計算輸入?yún)?shù)

2.2.1 網(wǎng)格圖

首先，對典型裝載工況劃分網(wǎng)格圖，該船網(wǎng)格數(shù)共1984個。圖2為該工況網(wǎng)格劃分圖。

2.2.2 計算波浪圓頻率和浪向

計算波浪圓頻率共 49個，從 0.1rad/m至2.5rad/m間隔為 0.05。由于船體縱向?qū)ΨQ性，計算浪向共13個，從0～180°，間隔為15°。

2.2.3 鋪管作業(yè)波浪條件

有義波高為2.5m，波浪周期(波峰)：Tp= 6 .0～12.0s 。波譜為Jonswap譜，其中γ=1.0。

2.2.4 耐波性能指標(biāo)

運動性能指標(biāo)：縱蕩（Surge）、橫蕩（Sway）、垂蕩（Heave）、縱搖（Pitch）、橫搖（Roll）)和艏搖（YAW）運動響應(yīng)，見圖3。二階波浪平均載荷：縱向二階波浪平均力(Fx)響應(yīng)、橫向二階波浪平均力(Fy)響應(yīng)和二階波浪平均艏搖力矩(Mz)響應(yīng)，見圖4。

圖2 該工況網(wǎng)格劃分

2.3 計算結(jié)果分析

圖3 、4分別為3000t鋪管起重船鋪管作業(yè)裝載5000t（滿載）管線100%油水工況時不同角度（deg）的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖運動響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAO）和二階波浪平均載荷傳遞函數(shù)。

圖3 運動響應(yīng)函數(shù)

圖4 二階平均波浪載荷傳遞函數(shù)

3 錨泊定位系統(tǒng)計算和分析

3.1 錨泊定位系統(tǒng)配置參數(shù)

錨泊定位系統(tǒng)的主要參數(shù)，是根據(jù)母型船的錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行初步選擇，并按設(shè)計任務(wù)書有關(guān)水深和環(huán)境條件的要求確定。

3.1.1 錨索

該船配備了12條鍍鋅鋼絲繩工作錨錨索，每條錨索長3000m，直徑76mm，破斷力為3800kN，每條錨索在空氣中的重量為24.32kg/m，而在水中的重量為19.58kg/m。

3.1.2 定位錨機(jī)

設(shè)置電動變頻帶阻尼剎車的鋪管定位絞車12 臺。絞車主要技術(shù)參數(shù)：

鋼絲繩直徑為76mm；絞車中間層拉力為1100kN；主剎車支持負(fù)載（滾筒第三層）為3800kN；容繩量為3000m。

3.1.3 錨

設(shè)置10個STEVPRIS 型海洋工程大抓力錨，每個重量初步定為12t，錨的抓重比系數(shù)為10，最大抓力為120t，即1176kN。

3.2 鋪管作業(yè)設(shè)計環(huán)境條件

該船作業(yè)區(qū)域為中國南海、東海、渤海以及東南亞、西非、波斯灣淺水海域。作業(yè)計算水深取最深工作水深300m。

該船可在下列環(huán)境條件下作業(yè)：波浪有義波高2.5m，波浪周期（波峰）為6.0～12.0s，波譜使用Jonswap（取γ=1.0）；流速為2.0kn；風(fēng)速為16m/s。計算中將風(fēng)、浪和流的設(shè)計載荷均按橫向（由東向西）施加，以此獲得最大的橫向運動和波浪載荷。并依據(jù)API規(guī)范要求，風(fēng)、浪和流載荷分別在南偏東30°和北偏東30°方向時對鋪管作業(yè)時所設(shè)計錨泊定位系統(tǒng)的運動和受力情況進(jìn)行校核，這樣設(shè)計環(huán)境載荷認(rèn)為給定了環(huán)境條件組合的極端情況，由此可確定錨泊定位系統(tǒng)導(dǎo)纜孔處的最大張力和最大水平位移，以確認(rèn)該錨泊定位系統(tǒng)的合理性及適用性。限于篇幅，本文僅對橫向環(huán)境載荷下錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究。

3.3 鋪管作業(yè)錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計原則、設(shè)計方式和錨泊定位能力評估指標(biāo)

3.3.1 設(shè)計原則

該船的鋪管作業(yè)錨泊定位系統(tǒng)為 12點非對稱錨泊系統(tǒng)。鋪管作業(yè)過程中拋錨和起錨需要花費不少時間，而鋪管作業(yè)又非常依賴于好的“窗口”(設(shè)計環(huán)境條件范圍內(nèi))，所以在鋪管作業(yè)過程中應(yīng)盡可能減少起錨次數(shù)，以提高工作效率和日鋪管公里數(shù)，這是鋪管作業(yè)最根本的要求。因此，在鋪管作業(yè)向前移船時，艏部錨泊線收緊，艉部錨泊線放長，這樣在一次拋錨后至起錨期間整個鋪管作業(yè)中錨泊定位系統(tǒng)的錨泊線長度隨著船舶前移其各種相關(guān)的參數(shù)均會發(fā)生變化，也就是鋪管起重船在不同位置組成了若干個“新”的錨泊定位系統(tǒng)，每個新的錨泊定位系統(tǒng)又都要進(jìn)行新的設(shè)計、計算和分析，以達(dá)到設(shè)計要求。因此，鋪管作業(yè)時錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計原則應(yīng)確保如下幾點：

1)鋪管起重船橫向振蕩運動的平衡位置應(yīng)始終處于海底管線要求的路線上；

2)鋪管起重船橫向、縱向和艏搖運動的幅值保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)；

3)錨泊定位系統(tǒng)上的設(shè)計張力取每條錨泊線破斷張力(取錨鏈和錨索的最小破斷張力)除以安全系數(shù)的值、絞車中間層的拉力值和錨上最大水平抓力三者之間的小者；

4)錨垂向不受力，水平方向受到的力應(yīng)小于該錨的最大抓力。

3.3.2 設(shè)計方式

根據(jù)上述設(shè)計原則，對3000t鋪管起重船錨泊定位系統(tǒng)采取了如下的設(shè)計方式（為計算簡化起見，假定鋪管路線為直線）：

1)首先設(shè)計作業(yè)時初始狀態(tài)的錨泊定位系統(tǒng)（相當(dāng)于在剛拋好錨后）：確定錨的位置、錨泊線布置方式、錨泊線放出長度，通過施加環(huán)境載荷后對該錨泊定位系統(tǒng)計算后確定鋪管起重船平衡位置和振蕩運動幅值、導(dǎo)纜孔上的最大軸向張力以及作用在錨上的張力等，經(jīng)校核結(jié)果滿足設(shè)計要求（如不滿足，需要重新設(shè)計、計算和分析錨泊定位系統(tǒng)）后完成鋪管起重船在初始位置時的錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計；

2)根據(jù)上述的錨泊定位系統(tǒng)，固定各個錨的位置（錨的位置與初始狀態(tài)的錨泊定位系統(tǒng)相同），每間隔20m通過對各錨泊線的收放確定“新”的錨泊定位系統(tǒng)，這個“新”的錨泊定位系統(tǒng)依然重復(fù)初始狀態(tài)錨泊定位系統(tǒng)的設(shè)計方式，但是，每個“新”的錨泊定位系統(tǒng)必須與初始位置的錨泊定位系統(tǒng)的橫向平衡位置基本保持在一條直線上，即海底管線要求的位置路線上；

3)對上述錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計一直到鋪管起重船移動到 200m的位置，作為鋪管起重船前進(jìn)的最大位置。

該船首部布置了6根錨泊線，在初始位置處于布放最長狀態(tài)；艉部布置了6根錨泊線，在初始位置處于布放最短狀態(tài)。在作業(yè)過程中艏部的6根錨泊線逐步收起，艉部的6根錨泊線逐步放出，這樣在前進(jìn)過程中，錨泊定位系統(tǒng)中各參數(shù)和變量是時間的函數(shù)，如果對該系統(tǒng)進(jìn)行實時仿真分析，那么求解算法不僅復(fù)雜，而且計算量非常大，因此，需要用準(zhǔn)靜力的方法來分解該錨泊定位系統(tǒng)：將連續(xù)的錨泊定位系統(tǒng)分解成若干個離散錨泊定位系統(tǒng)，然后對這些離散錨泊定位系統(tǒng)做時域動力分析，這種方法能比較有效和合理地設(shè)計鋪管作業(yè)時的錨泊定位系統(tǒng)。

3.3.3 錨泊定位能力評估指標(biāo)

1)起重船在固定坐標(biāo)系中的最大、最小和平均位移；

2)錨泊線導(dǎo)纜孔軸向最大張力。

3.4 風(fēng)載和流載的計算方法

由于真實的風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)一般很難直接求得，需要通過風(fēng)洞船模試驗和拖曳水池船模試驗的方法獲得，但是這種方法費用很高，且試驗周期較長。因此，現(xiàn)在通用的方法是依據(jù)已有的風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)的模型資料（目前OCIMF為通用方法），通過插值的方法來獲得。有關(guān)風(fēng)載和流載系數(shù)的計算方法參照文獻(xiàn)[1]。

該船的迎縱向風(fēng)的面積為1520m2，迎橫向風(fēng)的面積為4030 m2，風(fēng)轉(zhuǎn)動力矩作用點位于隨船坐標(biāo)系重心位置。

3.5 鋪管作業(yè)鋪管線在錨泊定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

對于鋪管S曲線，其上的應(yīng)力和彎矩可用海底管線設(shè)計計算分析軟件如OFFPIPE等來計算分析，本文僅針對鋪管作業(yè)錨泊定位系統(tǒng)的研究，對鋪管線的運動和受力不作計算和分析。但是這段鋪設(shè)到海底的管線對錨泊定位系統(tǒng)貢獻(xiàn)不可以單純地忽略不計。

在錨泊定位系統(tǒng)中，通過對張緊器原理的分析，可以看到張緊器上最大容許張力為100t，假定此力為65t左右（通常將60%～80%的最大容許張力的水平力作為作用在托管架上的設(shè)計張力）對鋪管起重船的定位起作用，那么，錨泊定位系統(tǒng)假定在這個位置上又加了一條錨泊線，而這條錨泊線的作用只是提供 65t左右的具有振蕩效應(yīng)的水平力（可通過“假定”錨泊線上的剛度系數(shù)和單位長度重量等參數(shù)控制其振蕩水平），且沿著鋪管線鋪設(shè)的方向，因此，對這根錨泊線上其他變量就不再校核了。假設(shè)了這條錨泊線后，整個錨泊定位系統(tǒng)成了“13點”非對稱錨泊定位系統(tǒng)，注意這“第13根錨泊線”只是為了設(shè)計中更能接近真實錨泊定位系統(tǒng)的運動和受力分析而假定的，并不是真正的錨泊線。

3.6 錨泊定位系統(tǒng)位置及風(fēng)、浪和流作用方向圖

圖5為 3000t鋪管起重船鋪管作業(yè)初始位置時的錨泊定位系統(tǒng)布置及風(fēng)、浪和流的作用方向圖，其他位置的布置圖與此相似。

圖5中固定坐標(biāo)系X軸向北為正，Y軸向東為正，Z軸向下為正；隨船坐標(biāo)系x軸向北為正，y軸向東為正，z軸向下為正，兩坐標(biāo)系初始原點重合。圖中的LINE表示錨泊線，anchor表示定位錨。

圖5 3000t鋪管起重船鋪管作業(yè)時錨泊定位系統(tǒng)布置及風(fēng)、浪和流的作用方向

3.7 錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計張力的確定

按照API發(fā)表的文獻(xiàn)[2]中有關(guān)錨泊線安全系數(shù)的描述：對于準(zhǔn)靜力方法，安全系數(shù)選為2.0，對于動力計算方法，安全系數(shù)可取為1.67，其他方法可在這兩者間酌情選擇。由于Ariane 7軟件使用準(zhǔn)動力方法，其安全系數(shù)按法國船級社發(fā)表的文獻(xiàn)[3]選為1.75。該船鋪管作業(yè)工況時，使用了準(zhǔn)靜力法對鋪管作業(yè)過程中錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行了離散處理，而每個離散的錨泊定位系統(tǒng)使用準(zhǔn)動力數(shù)值計算方法，因此，安全系數(shù)仍選為1.75。

錨泊線安全系數(shù)的確定在錨泊系統(tǒng)設(shè)計中具有重要意義，因為由此可確定錨泊線的破斷負(fù)荷及錨泊線鋪出長度以及錨拋出的位置。本錨泊線中絞車?yán)|繩的破斷負(fù)荷為3800kN，而錨鏈的破斷負(fù)荷為3887kN，所以選擇3800kN作為本船錨泊線的最大破斷負(fù)荷，相應(yīng)錨泊線最大可承受的張力為3800/1.75=2171kN。

從定位錨機(jī)的絞車中間層拉力1100kN和有關(guān)錨上可承受最大抓力1176kN和錨泊線可承受最大軸向張力2171kN，取三者中最小者即1100kN為錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計張力。

3.8 風(fēng)、浪和流東向作用下的錨泊定位系統(tǒng)計算

假定初始位置與固定坐標(biāo)系重合，鋪管作業(yè)時移船的位置分別為初始位置（0m），相對初始位置分別為沿北向前進(jìn)20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m、180m和200m，總計11個位置。作用在該船上的環(huán)境載荷中流向、浪向和風(fēng)向均取在橫向作用（由東向西）。不考慮移船速度的影響(本移船速度是0.25m/s)，移船過程中錨的位置始終不變，只是錨泊線的長度發(fā)生變化。

3.8.1 初始位置處的錨泊系統(tǒng)計算結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)確定的錨泊定位系統(tǒng)配置參數(shù)、水深及海底形狀、設(shè)計張力以及錨上不能承受垂向力等設(shè)計條件，通過懸鏈線法可計算出錨泊線由導(dǎo)纜孔到錨之間最小鋪出長度。

在水深為300m時的錨泊線在水中的位形通過懸鏈線方程計算。此時錨上只承受水平方向的力，垂向剛好不受力，導(dǎo)纜孔處的軸向張力為設(shè)計張力1100kN，從導(dǎo)纜孔鋪出的最小錨泊線長度為1810m。

實際設(shè)計中錨泊線的長度往往超過最小長度，希望鋪在海底處有一段錨泊線(通常情況下是與錨相連接的錨鏈)，可以提供一定的水平摩擦力[4]，經(jīng)過進(jìn)一步的計算及考慮到錨泊線總長等因素最后確定錨泊線從導(dǎo)纜孔至錨處鋪出長度為2500m以上。

1)導(dǎo)纜孔處的預(yù)張力和錨/導(dǎo)纜孔間位置計算結(jié)果，見表2。

2)錨泊定位系統(tǒng)時域分析計算結(jié)果，見表3、4。

表2 初始位置時導(dǎo)纜孔和錨處預(yù)張力及錨泊線鋪出長度

表3 在固定坐標(biāo)系中初始位置時受環(huán)境載荷作用下的最大、最小和平均位移

表4 初始位置時在環(huán)境載荷作用下錨泊線導(dǎo)纜孔處軸向最小、平均和最大張力

3.8.2 錨泊線長度隨移船位置的變化

對12根錨泊線隨移船位置的變化見表5，其中錨泊線12和7、錨泊線11和8、錨泊線10和9為對稱錨泊線，其長度變化相同。

表5 風(fēng)、浪和流東向作用時錨泊定位系統(tǒng)錨泊線長度隨移船位置的變化

3.8.3 在移船過程中位移的變化

表6為風(fēng)、浪和流東向作用時鋪管起重船在移船過程中位移的變化，這僅是該船鋪管作業(yè)時運動的極限位置，并不是真實的運動軌跡。

表6 風(fēng)、浪和流東向作用時鋪管起重船在移船過程中位移的變化

3.8.4 在移船過程中錨泊線軸向最大張力及鋪管線水平張力

對鋪管起重船鋪管作業(yè)時移船過程中 12根錨泊線上軸向最大張力進(jìn)行了統(tǒng)計，并列出鋪管起重船鋪管作業(yè)時鋪管線導(dǎo)纜孔處水平方向的最小、平均和最大張力，見表7。

表7 移船過程中12根錨泊線上軸向最大張力及鋪管線導(dǎo)纜孔處水平方向的最小、平均和最大張力

3.9 風(fēng)、浪和流東向作用時錨泊定位系統(tǒng)計算結(jié)果分析

通過錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計原則和鋪設(shè)管線在錨泊定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，對設(shè)計的錨泊定位系統(tǒng)計算結(jié)果與其比照與分析，以確定所設(shè)計的錨泊定位系統(tǒng)是否滿足要求。

1)由位移變化的表和圖中顯示出該鋪管起重船在鋪管作業(yè)時橫向振蕩運動的平衡位置始終處于-7.85m左右位置處，東向振蕩運動的幅值在-15.54m和-0.04m之間；北向振蕩運動的幅值為相應(yīng)平衡位置處-1.03m和2.13m之間；艏搖運動的平衡位置始終處360.7°左右，艏搖振蕩運動的幅值在358.5°和362.4°之間；

2)12條錨泊線(錨鏈和錨索)上的軸向最大張力不大于1100kN；

3)錨垂向不受力，水平方向受力應(yīng)小于該錨的最大抓力1200kN；

4)鋪管線上的水平張力為637kN，即65t，與本文3.5 節(jié)假定相符。

通過上述的分析總結(jié)，可知在風(fēng)、浪和流向東向作用時的錨泊定位系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

采用了非對稱錨泊定位系統(tǒng)，使每根錨泊線能承受盡可能大的軸向張力，以限制船體的位移，從計算結(jié)果分析看，有些錨泊線上的軸向張力已接近或達(dá)到絞車所能承受最大移船時的張力 1100kN，這樣可以保證船體的位移達(dá)到較小的程度。對于海上環(huán)境條件的確定，由于鋪管船在鋪管作業(yè)時確定可作業(yè)的環(huán)境條件，并沒有將風(fēng)、浪和流的聯(lián)合作用方向給出統(tǒng)計，基于此，首先應(yīng)針對橫向來浪、風(fēng)和流的作業(yè)來設(shè)計鋪管作業(yè)時錨泊定位系統(tǒng)，然后根據(jù)API規(guī)范的要求對風(fēng)、浪和流為南偏東30°方向和北偏東30°方向作用時的錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行校核，可以得出，3.1節(jié)中所選取的錨泊定位系統(tǒng)的主要參數(shù)可以滿足設(shè)計要求，因此可作為最終設(shè)計的錨泊定位系統(tǒng)。

[1]OCIMF. Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs, Second Edition, Oil Companies International Marine Forum[C].London, 1994.

[2]Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Plat-forms - Load and Resistance Factor Design[R]. API Recommended Practice 2A-LRFD (RP 2A-LRFD), First Edition, July 1, 1993.

[3]BUREAU VERITAS. Quasi-dynamic analysis of mooring systems using Ariane software Guidance Note[R]. NI461 DTO R00 E, May 1998(Tentative issue).

[4]范 菊，黃祥鹿. 錨泊線的動力分析[J]. 中國造船, 1999,1 (1)∶ 13-20.