李陳峰，任慧龍，曾 驥，汪 薔

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

西氣東輸香港支線鋪管船鋪管作業(yè)錨泊方案分析

李陳峰，任慧龍，曾 驥，汪 薔

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

鋪管船在海上敷設(shè)海底管道是動(dòng)態(tài)的并且非常復(fù)雜的過程，為了合理分析鋪管船錨泊方案，基于Ansys-AQWA軟件，考慮風(fēng)載荷、流載荷、波浪載荷等因素，對鋪管船與錨泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合時(shí)域分析，給出了針對多點(diǎn)定位系泊系統(tǒng)海洋工程船的分析流程，而且從鋪管船錨泊移位系統(tǒng)的強(qiáng)度校核結(jié)果、各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)最大位移、操作簡便性等方面評析鋪管船作業(yè)錨泊方案，得出較優(yōu)方案指導(dǎo)實(shí)際工程。結(jié)果表明，本文采取的方法具有工程應(yīng)用性，評析結(jié)果可以作為實(shí)際工程的參考。

鋪管船; 錨泊方案; Ansys-AQWA; 耦合分析; 時(shí)域

0 引 言

西氣東輸工程是目前我國投資最大的能源工程和基礎(chǔ)建設(shè)工程。香港支線作為西氣東輸二線的重要組成部分,西起深圳的大鏟島,經(jīng)海底敷設(shè)至香港龍鼓灘,路由穿越大鏟、銅鼓和龍鼓三處水道。該支線管道近岸段采用拖拉法鋪設(shè),海上部分采用鋪管船法鋪設(shè)。對于鋪管船法鋪設(shè),常用的定位方式主要有錨泊定位[1]和動(dòng)力定位。其中,錨泊定位通過控制位移絞車收放錨鏈實(shí)現(xiàn)鋪管船的移位,環(huán)境適應(yīng)性好,且投資少、使用方便、可靠度高,在淺海區(qū)海管鋪設(shè)中較常采用[2]。針對鋪管船不斷收放錨的作業(yè)特點(diǎn),根據(jù)作業(yè)海區(qū)的海況和水文條件,確定各種錨鏈分布狀態(tài)下的鋪管船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與錨泊力具有重要的工程價(jià)值[3]。

國際關(guān)于海洋工程船多點(diǎn)定位系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念尚處在發(fā)展階段，適合船舶工作特點(diǎn)、環(huán)境條件的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)很少。ABS，DNV，BV，CCS 等船級社的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)多針對永久性系泊系統(tǒng)。本文提出將動(dòng)態(tài)的鋪管過程簡化為階段性的靜態(tài)布錨方式。鋪管船的鋪管行進(jìn)過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，此時(shí)錨鏈形式、鋪管船位置時(shí)刻都在發(fā)生變化，但鋪管船在鋪管過程中移動(dòng)非常緩慢，因此可將動(dòng)態(tài)連續(xù)的錨泊移位系統(tǒng)分解成若干個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，每個(gè)運(yùn)動(dòng)階段考慮其2種極端狀況即初始錨泊狀態(tài)與終止錨泊狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算各狀態(tài)下鋪管船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及各錨鏈錨泊力。

借助水動(dòng)力軟件AQWA中頻域模塊AQWA-LINE，采用三維勢流理論，對西氣東輸二線香港支線鋪管作業(yè)所使用的“中油海101”號鋪管船進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到各個(gè)頻率下的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，各個(gè)頻率和浪向下的一階、二階傳遞函數(shù)等水動(dòng)力參數(shù)，組成頻域下的水動(dòng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫。利用水動(dòng)力軟件AQWA中的時(shí)域模塊AQWA-DRIFT，對鋪管船及其錨泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合數(shù)值模擬，模擬計(jì)算了在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，鋪管船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況以及鋪管船錨泊移位系統(tǒng)的安全性。同時(shí)本文針對特定航段提出不同的布錨方案進(jìn)行比較分析，從而確定最佳布錨方案。

1 錨泊系統(tǒng)分析方法和相關(guān)理論

1.1 錨泊系統(tǒng)分析流程

鋪管船在敷設(shè)海底管道過程中所使用錨泊移位系統(tǒng)是短時(shí)的移位系統(tǒng)，船的移位完全依靠船的8臺移位絞車的收放錨繩及自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)來完成。敷設(shè)一段海底管道后，會停止一段時(shí)間進(jìn)行管道的安裝工作，因此伴隨著拔錨放錨的過程，移位和停船交替進(jìn)行。敷設(shè)海底管道的過程中鋪管船行進(jìn)速度非常緩慢，可近似認(rèn)為鋪管船處于零航速狀態(tài)。因此可將連續(xù)的錨泊移位系統(tǒng)分解成若干個(gè)離散的錨泊移位系統(tǒng)，然后對這些離散錨泊移位系統(tǒng)做時(shí)域動(dòng)力分析[4]。

水動(dòng)力軟件AQWA通常用來計(jì)算海上長期作業(yè)的零航速大型浮體，本文將鋪管船作業(yè)的動(dòng)態(tài)過程簡化為短期作業(yè)的零航速小型浮體，此時(shí)利用AQWA軟件進(jìn)行分析相對來說較為準(zhǔn)確。首先對鋪管船頻域分析，求得幅頻響應(yīng)算子、附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)等參數(shù)以供時(shí)域分析使用。在時(shí)域模塊中定義風(fēng)力系數(shù)、流力系數(shù)、波浪參數(shù)等，進(jìn)行鋪管船與其錨泊系統(tǒng)耦合時(shí)域分析。進(jìn)而可以得到不同布錨狀態(tài)下的各錨鏈張力隨時(shí)間變化曲線，錨鏈張力許用值根據(jù)《CCS海上移動(dòng)平臺入級與建造規(guī)范》[5]中對錨纜安全系數(shù)的規(guī)定，取為2.0，對其錨鏈張力最大值與許用值比較，進(jìn)而分析錨泊系統(tǒng)安全性。本文選定最危險(xiǎn)航道設(shè)計(jì)2種通過該航道的布錨方案，根據(jù)不同布錨方式下各錨鏈最大張力值的比較、各向最大位移的比較、以及操作的簡便程度，分析出最佳布錨方案，應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目。

1.2 風(fēng)載荷計(jì)算公式

《CCS海上平臺入級與建造規(guī)范》中關(guān)于風(fēng)載荷計(jì)算的公式為：

F=ChCsS×0.613×10-3V2。

(1)

式中：V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；S為平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積m2；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)。

1.3 流載荷計(jì)算公式

海流載荷計(jì)算公式：

(2)

式中：CD為曳力系數(shù)；ρW為海水密度，kNs2/m4；V為設(shè)計(jì)海流流速，m/s；S為構(gòu)件在與流速垂直平面上的投影面積，m2。

1.4 二階波浪力

(3)

其中，Pij為同相位的時(shí)域傳遞作用部分，Qij為不同相位的時(shí)域傳遞作用部分。當(dāng)忽略了頻域的結(jié)果后可以得到：

(4)

紐曼近似條件為：

(5)

(6)

基于以上近似條件的式子可以寫為：

(7)

其中，wi，wj為每一對波浪成分的頻率；ai，aj為波浪成分的幅值；εi，εj為輻射相位角。

2 相關(guān)參數(shù)

2.1 鋪管船基本參數(shù)

鋪管船基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：總長123.78 m；垂線間長115.00 m；型寬32.20 m；型深6.50 m；設(shè)計(jì)吃水4.00 m；排水量14 539.30 t。

2.2 錨泊系統(tǒng)參數(shù)

鋪管船錨泊系統(tǒng)使用鋼芯鋼絲繩，具體參數(shù)：重量集度18.10 kg/m；最小破斷拉力356.78 t；彈性模量1.70E11 Pa；抗拉強(qiáng)度2 160 MPa。

2.3 路由介紹

西氣東輸二線香港支線是西氣東輸二線管道工程項(xiàng)目中的一部分，香港支線起于大鏟島末站，經(jīng)海底敷設(shè)至香港龍鼓灘輸氣站。管線路由總長19 594 m，穿越大鏟水道、銅鼓航道及龍鼓航道，總體路由示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)際作業(yè)路由示意圖Fig.1 Schematic diagram of operation route

2.4 海況參數(shù)

根據(jù)龍鼓航道段實(shí)際測得的最惡劣海況設(shè)定計(jì)算參數(shù)如表1所示，2種布錨方案均采用相同的海況參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以便進(jìn)行比對。

表1 龍鼓航道水文條件Tab.1 Hydrological condition of Longgu waterway

2.5 鋪管船頻域以及時(shí)域分析模型

圖2 所示為“中油海101”鋪管船進(jìn)行頻域和時(shí)域分析的濕表面網(wǎng)格模型，考慮計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型中將鋪管船尾部的呆木一并建出，較為精準(zhǔn)。

圖2 鋪管船頻域分析濕表面網(wǎng)格Fig.2 Wet surface grid of pipe-laying vessel

3 錨泊方案制定

在鋪管船進(jìn)行鋪管作業(yè)期間，不斷拔錨拋錨實(shí)現(xiàn)鋪管船前進(jìn)鋪管作業(yè)，此時(shí)會有1根或2根錨鏈拔起，并且在一段時(shí)間內(nèi)被拔起的錨鏈對鋪管船并沒有起到保護(hù)作用。此時(shí)情況比較危險(xiǎn)，因此考慮最危險(xiǎn)狀態(tài)即6根錨鏈作用于鋪管船上的狀態(tài)，設(shè)計(jì)出4種最危險(xiǎn)的布錨狀態(tài)，對不同的布錨狀態(tài)進(jìn)行鋪管船與錨泊系統(tǒng)耦合時(shí)域分析。由于在非航道段進(jìn)行鋪管作業(yè)時(shí)，風(fēng)浪流作用方向存在不確定性，因此分析時(shí)可將風(fēng)浪流作用方向進(jìn)行劃分，由于鋪管船存在對稱性，因此考慮0°～180°每15°為間隔，并認(rèn)為風(fēng)浪流作用方向相同時(shí)對鋪管船作用效果最嚴(yán)重，有義波高從0.15 m變化到1.2 m，風(fēng)速由5.4 m/s變化到13.8 m/s。

圖3 第1階段布錨方式Fig.3 Mooring mode in the first stage

圖4 第2階段布錨方式Fig.4 Mooring mode in the second stage

圖5 第3階段布錨方式Fig.5 Mooring mode in the third stage

圖6 第4階段布錨方式Fig.6 Mooring mode in the fourth stage

鋪管船在經(jīng)過大鏟水道、龍鼓航道、銅鼓航道段時(shí)，風(fēng)浪流聯(lián)合作用方向?yàn)?0°，即橫流和橫浪狀態(tài)，情況較為危險(xiǎn)，龍鼓航道寬900 m，淤積粘土較為嚴(yán)重，不利于錨泊定位，因此本文主要以龍鼓航道段為研究對象，作業(yè)方提出2種通過龍鼓航道段的布錨方案，本文對2種布錨方案進(jìn)行分析與比較，最終得到一種較好的布錨方案，作為實(shí)際工程項(xiàng)目中鋪設(shè)龍鼓航道段的參考方案。

圖7～圖10為其中第1種通過龍鼓航道的布錨方案，分為8種布錨狀態(tài)，其中將鋪管船行進(jìn)過程分為4個(gè)階段，每個(gè)階段中錨鏈長度較長或者較短時(shí)對于鋪管船作業(yè)來說是較為危險(xiǎn)的，因此每個(gè)階段中的起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)為各階段中最為極端的2個(gè)狀態(tài)，因此需要分析每階段的起始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)。各階段中，實(shí)線為起始狀態(tài)，虛線為終止?fàn)顟B(tài)。

將該鋪管船錨泊移位系統(tǒng)的錨鏈分為4組，從船首方向開始算起，2對稱錨鏈算為一組。在第1階段8根錨鏈位置確定好之后，鋪管船一直進(jìn)行鋪管作業(yè)，期間并未進(jìn)行拔錨放錨。

圖7 布錨狀態(tài)1和布錨狀態(tài)2Fig.7 Mooring stage 1 and 2

第2階段中隨著鋪管船行進(jìn)，第3組錨鏈的位置已經(jīng)移動(dòng)到前方，同時(shí)鋪管船繼續(xù)前進(jìn)。

圖8 布錨狀態(tài)3和布錨狀態(tài)4Fig.8 Mooring stage 3 and 4

第3階段中鋪管船處于零航速狀態(tài)，開始進(jìn)行后面2組錨鏈的移動(dòng)，由于實(shí)際地理?xiàng)l件的限制，有的地方并不適合錨鏈的下放，因此會出現(xiàn)一組中2根錨鏈不對稱的情況。同時(shí)將前面2組錨鏈拋向較遠(yuǎn)處，以便進(jìn)行下一周期的鋪管船的行進(jìn)。

圖9 布錨狀態(tài)5和布錨狀態(tài)6Fig.9 Mooring stage 5 and 6

隨著鋪管船向前移動(dòng)，調(diào)整了不對稱錨鏈的位置，最后一階段中，初始狀態(tài)是調(diào)整了錨鏈位置之后的錨泊狀態(tài)，此后完全依靠前后錨鏈長度的變化實(shí)現(xiàn)鋪管船的移動(dòng)。

圖10 布錨狀態(tài)7和布錨狀態(tài)8Fig.10 Mooring stage 7 and 8

圖11～圖12為第2種通過龍鼓航道的布錨方案，鋪管作業(yè)過程中盡可能減少拔錨放錨次數(shù)，可以提高工作效率和日鋪管公里數(shù)，因此第2種方案只需2個(gè)階段就可以完整通過龍鼓航道，圖11中在第1階段并沒有拔錨放錨的過程，完全依靠錨鏈長度變化實(shí)現(xiàn)鋪管船的移動(dòng)。

圖11 布錨狀態(tài)1和布錨狀態(tài)2Fig.11 Mooring stage 1 and 2

在布錨狀態(tài)2之后停船將錨鏈全部重新布置，因而第2階段同樣沒有拔錨放錨，只依靠錨鏈長度變化實(shí)現(xiàn)鋪管船的前進(jìn)，此種方法拔錨放錨次數(shù)較少，效率較高。

圖12 布錨狀態(tài)3和布錨狀態(tài)4Fig.12 Mooring stage 3 and 4

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過對風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)的計(jì)算，得到風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)曲線，如圖13和圖14所示。

圖13 風(fēng)力系數(shù)曲線Fig.13 The curve of wind coefficient

圖14 流力系數(shù)曲線Fig.14 The curve of current coefficient

4.2 布錨狀態(tài)

根據(jù)實(shí)際布錨方案，在AQWA中建立鋪管船和錨泊系統(tǒng)模型，每根錨鏈與鋪管船所夾角度、定位位置，長度均與實(shí)際情況相符，圖15為布錨方案2中布錨方式3在AQWA中計(jì)算模型示意圖。

圖15 布錨方案2中布錨方式3示意圖Fig.15 Mooring mode 3 in scheme 2

4.3 錨鏈張力時(shí)歷曲線

對鋪管船和錨泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合時(shí)域分析，可以得到錨鏈張力隨時(shí)間變化曲線，每種布錨狀態(tài)以及各工況下均可得到各錨鏈張力時(shí)歷曲線，可將模擬的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的錨鏈張力最大值提取出來，進(jìn)而進(jìn)行錨鏈強(qiáng)度校核，如圖16所示為錨鏈張力時(shí)歷曲線。

圖16 錨鏈張力隨時(shí)間變化曲線Fig.16 The curve of cable tension change with time

4.4 兩種方案計(jì)算結(jié)果

本文中“中油海101”鋪管船所使用錨泊系統(tǒng)為鋼芯鋼絲繩，最小破斷力356.78 t，取安全系數(shù)為2，因此許用張力值為178.39 t。表2和表3分別給出布錨方案1和方案2計(jì)算所得錨鏈張力最大值結(jié)果，其中灰色區(qū)域代表該狀態(tài)下此錨鏈張力最大值超過許用值的情況。表5給出2種方案各向最大位移比較結(jié)果。

表2 布錨方案1錨鏈張力最大值計(jì)算結(jié)果(t)Tab.2 The maximum value of cable tension in mooring scheme 1

表3 布錨方案2錨鏈張力最大值計(jì)算結(jié)果(t)Tab.3 The maximum value of cable tension in mooring scheme 2

表4 兩種布錨方案最大位移比較結(jié)果Tab.3 Comparison of maximum displacement in two schemes

4.5 兩種方案比較分析

1)第1種布錨方案中，不斷實(shí)現(xiàn)拔錨放錨的過程，操作較為復(fù)雜；第2種布錨方案中，拔錨放錨次數(shù)較少，操作方便簡單，效率較高。

2)通過計(jì)算結(jié)果可知，第2種布錨方案明顯好于第1種布錨方案，第1種布錨方案中的狀態(tài)4中在最危險(xiǎn)海況下錨鏈3出現(xiàn)錨鏈張力最大值，屬于最危險(xiǎn)情況，第2種布錨方案中也有較多錨鏈強(qiáng)度校核不滿足規(guī)范要求的結(jié)果，但未出現(xiàn)錨鏈拉斷的情況，因此如果在實(shí)際作業(yè)時(shí)采用第2種布錨方案，觀察天氣窗口選擇連續(xù)較好天氣，再同時(shí)利用拖輪輔助鋪管船作業(yè)，作業(yè)較安全。

3)第1種布錨方案中，有3個(gè)布錨狀態(tài)的鋪管船正前方2根錨鏈長度較短，錨鏈長度較短則對鋪管船起到的保護(hù)作用不大，而且非常容易被拉斷，情況較為危險(xiǎn)。

4)布錨方案2的各錨泊狀態(tài)的最大位移值明顯小于布錨方案1的各錨泊狀態(tài)的最大位移值，因此布錨方案2較于布錨方案1具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

1)理論上說，本文的計(jì)算方法可行，鋪管船作業(yè)過程中鋪管船與其錨泊系統(tǒng)耦合作用分析可采用本文提出的方法，分析流程簡便。

2)本文提出的系泊方案的制定是有參考價(jià)值的，由于本文計(jì)算的工況為最惡劣海況，雖然有較多布錨方式下錨鏈張力最大值均超過許用值，但均未使錨鏈拉斷。通常實(shí)際施工過程中會觀察天氣窗口，選較好的天氣連續(xù)施工，同時(shí)采用拖輪輔助鋪管船作業(yè)以及定位，情況較為安全。

3)本文提出的2種錨泊方案，從操作性來說，采用第2種方式較好，拔錨放錨過程較少，操作簡便，效率更高。從安全性來說，也是采用第2種方式較好，各布錨方式下錨鏈張力最大值普遍小于第一種布錨方案中錨鏈張力最大值，作業(yè)更安全。

[1] 王銘銘.鋪管船錨泊移位系統(tǒng)的分析及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

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Analysis on mooring scheme of pipe-laying vessel in west-east gas transmission Hongkong branch

LI Chen-feng,REN Hui-long,ZENG Ji,WANG Qiang

(College of Ship Building Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China)

The operation of pipe-laying vessel in subsea pipeline offshore installation is dynamic and complex process, in order to give the reasonable analysis of pipe laying vessel mooring scheme, based on the ANSYS-AQWA software, considering wind load, current load and wave load, the coupled analysis between pipe-laying vessel and mooring system is brought out in the time domain. According to the analysis process of multi-point positioning mooring system of marine engineering vessel is given, and take the strength assessment of mooring system, the maximum displacement of the movement on each direction, the simple operation into consideration to analysis the operating mooring scheme of pipe-laying vessel. According to the analysis results from this paper, the optimum scheme is obtained to guide the actual project. The results show that, the methods from this article has engineering application and analysis results can be used as a practical reference.

pipe-laying vessel; mooring scheme; Ansys-AQWA; coupled analysis; time domain

2013-08-05;

2013-09-09

李陳峰(1981-)，男，講師，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

U674.34

A

1672-7649(2014)11-0142-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.029