10000 kW深水动力定位工作船抛起锚稳性研究

2012-09-20闫秋莲周国平

船舶标准化工程师 2012年5期

闫秋莲，周国平

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引言

10000 kW深水动力定位工作船是为海上石油和天然气勘探、开采工程、建筑设施等提供多种服务的海洋工程船舶。随着海洋油气开发作业水深加大，具有多功能化的深水海洋工程辅助船已成为当今主要开发船型之一。上海船舶研究设计院自主研发设计了一系列多功能海洋工程辅助船型，10000 kW多用途工作船是最新开发设计的一型具有二级动力定位的深水多用途海洋工程辅助船[1]（图1）。深水抛起锚作业是10000 kW多用途工作船设计研究的关键技术之一，抛起锚作业稳性的校核也是海洋工程辅助船规范规则的最新要求，正处于探索研究阶段，本文对10000 kW多用途工作船深水抛起锚作业稳性进行了计算研究和校核，这在国内自主设计研究的海洋工程辅助船中属于首次校核研究，获得了一些学习体会和实践经验，在此本文就有关深水抛起锚作业稳性研究工作作一简要介绍，仅供参考。

图1 10000 kW多用途工作船

1 船舶概况

1.1 航区及用途

本船为一艘深水多用途海洋工程辅助船，航行于无限航区，抗风能力达到12级。船舶主要用于:拖曳海上石油平台、大型起重船、大型下水驳船和工程作业船舶，是大型海洋工程装备远距离拖航的主拖船；具有较强的抛起锚作业能力，能提供快速高效的抛起锚作业服务；能为海上石油平台供应甲板货（钻井物资和材料、集装箱、平台生活用品）、液货供应（钻井淡水、淡水、钻井泥浆、燃油）、散料供应（散装水泥、重晶石、土粉）等；具有一级对外消防灭火作业能力[2]；能进行守护值班和营救作业能力；并具有对储油轮及到达的提油轮进行拖带、顶推和捞取油管作业，协助其进行提油作业。船舶设有二级动力定位系统。船舶满足中国船级社（CCS）对远洋拖船、供应船、抛起锚船、一级消防船和二级动力定位船的有关要求和规定。

1.2 船级

该船按中国船级社现行规范和规则设计、建造、受之检验及批准入级[3]，取得下列船级符号和附加标志:★CSA，★CSM，拖船Tug，供应船Offshore Supply Ship，小块漂流冰况区域航行Ice Class B，抛起锚Anchor Handling，第1类消防船Fire Fighting Ship 1，水雾系统Water Spraying，机器处所周期无人值班AUT-0，二级动力定位系统DP-2。

1.3 主要要素

10000 kW多用途工作船主要要素见表1。

2 深水抛起锚设施配置及作业能力分析

2.1 深水抛起锚设施配置

本船能为海上石油平台进行作业水深1000 m以内的抛起锚服务。抛起锚作业设施配置有双卷筒液压拖缆机、液压鲨鱼钳/挡缆桩装置、圆筒形艉滚筒及夹层钢板滑道等[4]。

表1 10000 kW多用途工作船主要要素

对深水抛起锚设施配置本船在首楼后部主甲板上设一台卧式液压拖缆机，高低布置双卷筒，下卷筒两端各带有一只平台锚链轮（左轮链径Ø84 mm，右轮链径Ø76 mm，可更换），拖缆机工作负载3000 kN（第一层），每个卷筒容绳量Ø70 mm×2000 m，主拖缆破断负荷3200 kN,拖缆机可在驾驶室后驾控台上遥控操纵，也可在机旁操纵，拖缆机能用于海上拖航作业和起抛锚作业。

在主甲板艉部设一套升降型组合式液压鲨鱼钳/挡缆桩装置，液压鲨鱼钳安全工作负载5000 kN，适用链索直径Ø32 mm～Ø112 mm，液压挡缆桩安全工作负载:3000 kN，鲨鱼钳和挡缆桩在工作时伸出甲板。在船尾端设一卧式圆筒形艉滚筒，工作直径×长度Ø2.4 m×4.8 m，安全工作负荷5000 kN。在艉部的液压鲨鱼钳/挡缆桩和艉滚筒之间的钢甲板作特别加厚处理，并在尾部与艉滚筒连接的主甲板中间设置与艉滚筒工作宽度相适应的木甲板夹层钢板滑道，钢板滑道宽4.8 m，钢板滑道上表面钢板与木甲板的钢质压板平。使船舶能方便地为海上石油平台提供快速高效的抛起锚作业服务。深水抛起锚设施布置图见图2。

2.2 1000 m水深抛起锚作业能力分析

深水一般是指水深在500 m～1500 m之间的水域，1500 m以上为超深水。在作业水深1000 m以内的锚系泊系统的布置中，最常见的是使用锚链加置入钢缆的柔性悬链线系泊方式[5]。拖缆机拖绞力的大小直接反映抛起锚作业的能力。拖缆机拖绞力可根据经验公式（1）进行估算:

图2 深水抛起锚设施布置图

图3 抛起锚作业示意图

图4 抛起锚过程锚链线拉力及力臂图

式中:Wc为每段锚泊索的单位长度重量，kN/m；Wd为水深，m；FB为深水系泊锚的破断负荷30%，kN，由于作业水深和深水海上设施的不同，各种深水系泊锚破断负荷各不相同，故此处FB用锚链破断负荷的25%代之较为合理。

起锚作业时锚系泊处于垂直状态，拖缆机的拖绞力最大。顶部锚链由钻井平台承担质量负荷。锚系泊系统布置方案为:

底部锚链:平台锚链，链径Ø 84 mm，长度250m，破断负荷7230 kN，比重4440 kg/27.5 m；

中间锚缆:钢芯钢丝绳，直径Ø 90 mm，长度2600 m，破断负荷7439 kN，比重3932 kg/100 m；

顶部锚链:平台锚链，链径Ø84 mm，长度265 m，破断负荷7230 kN，比重4440 kg/27.5 m；

图5 load02工况抛起锚作业时最大拉力图

底部锚链:平台锚链，链径Ø84 mm；起锚链长度Wd1= 250 m；比重WC1= 4440 kg/27.5 m= 1.582 kN/m；破断负荷FB= 0.25×7230 = 1807.5 kN；

中间锚缆:起锚缆长度Wd2= 1000 - 250 =750 m；比重WC2= 4700 kg/100 m = 0.385 kN/m。

则有:

在作业水深1000 m以内抛起锚作业中，锚系泊布置使用锚链加置入钢缆的柔性悬链线系泊方式，所需拖缆机的拖绞力约为2991.75 kN。本船配置拖缆机的抛起锚绞力为3000 kN，满足了船舶为海上深水平台进行作业水深1000 m以内锚链加置入钢缆的抛起锚作业要求。在抛起锚稳性计算中抛起锚的起绞力按最大值选取3000 kN。抛起锚作业示意图见图3。

3 抛起锚作业稳性校核

3.1 抛起锚作业稳性校核提出背景

在2007年6月6日之前，国际海事组织（IMO）对具有抛起锚作业能力的近海供应船和拖船不要求核算抛起锚稳性。2007年3月13日，挪威的一艘抛起锚船（船名Bourbon Dolphin）在起锚作业过程中瞬间发生了侧翻，有8名船员遇难。2007年5月10日，挪威海事局制定了抛起锚稳性衡准，并向国际海事组织（IMO）提交了抛起锚稳性要求。国际海事组织（IMO）于2007年6月6日发布了MSC 83/INF.9[6]，要求具有抛起锚能力的近海供应船和拖船必须满足抛起锚稳性，要求从2007年6月6日开始执行。

表2 load02工况抛起锚作业时最大横倾力矩计算及抛起锚稳性校核

中国船级社目前还没有Anchor Handling船级附加标志，具体的规范和规则要求尚未制订，在本船抛起锚稳性核算之前，入中国船级社具有抛起锚能力的海工辅助船基本上没有核算抛起锚稳性要求。10000 kW多用途工作船具有较强的抛起锚作业能力，船东要求取得Anchor Handling船级符号，作为探索性研究，经与中国船级社上海审图中心协商，本船根据MSC 83/INF.9对Anchor Handling的要求进行抛起锚作业稳性校核。

3.2 抛起锚稳性衡准分析

抛起锚过程是一个比较复杂的海上作业活动，锚链线上巨大的拉力会使船舶产生相当大的横倾力矩和船尾快速的横向旋转，使得螺旋桨推力和舵位置同时失效，进一步增加了船舶横向力。同时，作用于船上的环境外载荷风、浪、流的大小也会影响抛起锚操作。

IMO规定对于具有抛起锚能力的船舶都需要计算额外的船舶完整稳性（抛起锚稳性），在抛起锚作业过程中，计算作用于船舶尾滚筒端部的垂向力、水平力和横倾力矩，在最大横倾力矩的作用下，船舶最大横倾角应小于以下任何一个角度:

1）在GZ曲线上，0.5GZmax处所对应的横倾角；

2）甲板浸水角；

3）15°。

船舶抛起锚过程中，作用于船舶的横倾力矩是水平力矩和垂向力矩的合力矩，水平力矩的力臂是尾滚筒端部的甲板高度与螺旋桨中心高度之差，垂向力矩的力臂是尾滚筒端部距离船中纵剖面的水平距离，抛起锚过程锚链线拉力及力臂图见图4。对于从事抛起锚操作的典型装载工况都必须计算最大横倾力矩和横倾角，最大横倾角要小于抛起锚稳性横准规定的角度。

3.3 典型工况抛起锚稳性计算

本船满足国际海事组织（IMO）对抛起锚船稳性的要求。本船尾滚筒工作直径×长度:Ø2.4 m×4.8 m，尾部甲板距离螺旋桨中心高度为6.0 m，本船拖缆机工作负载3000 kN（第一层），故抛起锚稳性计算中锚链线拉力取拖缆机的最大工作负载3000 kN。抛起锚作业稳性工况校核，主要针对作业工况中典型的装载状态进行校核，其中包括:load01海上拖带出港、load02海上拖带到港、load03供应甲板货800 t出港、load04供应甲板货800 t到港、load05减摇水舱开启时供应甲板货600 t出港、load06减摇水舱开启时供应甲板货600 t到港、load07减摇水舱开启时供应散装水泥出港、load08减摇水舱开启时供应散装水泥到港、load09减摇水舱开启时自由航行出港、load10减摇水舱开启时自由航行到港等装载状态。本文选择load02海上拖带到港装载状态作一介绍，在偏离角0°～90°范围内进行抛起锚稳性校核（表2），load02装载工况下最大可允许的拉力图见图5。由图表可见，在满足抛起锚稳性前提下，load02装载工况在偏离角0°～30°范围内最大可允许的拉力是300 t，偏离角在60°～80°时锚链线可允许的拉力为250 t，由此可得偏离角在60°～80°时抛起锚最危险。在抛起锚作业时，建议在偏离角0°时进行抛起锚操作最安全。