海洋辅助钻井船锚泊系统计算分析

林益明，陈超核

（华南理工大学，510640）

1 引言

海洋石油钻井平台、海洋工程辅助钻井船等大型浮体在海洋环境（风、浪、流）作用下的锚泊定位问题一直是工程和理论界研究和需要解决的热点问题。

针对锚泊系统的分析，刘应中等[1]基于准静态时域方法，提出了一种在风、浪、流联合作用下计算油船运动和系泊缆索动力响应的方法；罗晓健[2]采用准静力法求解船舶在几种工况下的最大锚泊力；盛庆武[3]基于软件Ariane7提出了一种准动力方法用于计算锚泊张力；Kim, M H[4]等分别采用准静态、半耦合和全耦合分析方法计算分析了作业水深为3 000 ft的TLP平台，结果表明全耦和分析得到的运动幅值要小于准静态或半耦合分析计算结果；Chen X H[5]等研究了浮体与立管/系泊系统的动态耦合相互作用的重要性，分别采用耦合分析方法和准静态分析方法对一个mini-TLP进行了数值计算，并与实验结果进行了对比。

本文基于软件AQWA，对某海洋工程辅助钻井船在真实海洋环境中的锚泊线张力进行规范校核计算，给出了钻井船在相关海域的工作条件要求。

2 原理与方法

2.1 锚泊系统所受载荷

锚泊系统分析，船舶需要考虑波浪力、流力和风力的作用。波浪力包括波频力、二阶波浪力。二阶波浪力又可以分为二阶平均波浪漂移力、和频力和差频力。差频力又称低频二阶波浪力，由于其频率低，可能与锚泊系统产生共振，引起较大纵荡和横荡，所以需要考虑差频力的影响，而和频力幅值较小，故在锚泊计算中通常被忽略。

2.1.1 波频力的计算[7]

根据三维势流理论计算入射势ΦI、绕射势Φd和辐射势ΦR，按照Lagrange公式，可以得到水动压力为：

将波频力分为两部分：

1）由入射势和绕射势产生的波频力：

其中:Fj为在j方向的主动力（单位波幅）;nj为湿表面在j方向的方向向量；为平衡位置的湿表面积。

2）由于物体的运动，有被动力作用在物体上，物体受到的力叫辐射力。可以写成：

其中:xi为浮体的运动位移。

将ΦR写成如下形式：

可以得到：

附加质量和阻尼载荷是由于结构物做强迫谐振动所引起的稳态水动力及力矩。附加质量系数和阻尼系数是结构物形状、振动频率和前进速度的函数；此外，流场的深度和开阔度对附加质量系数和阻尼系数也有一定的影响。

2.1.2 二阶波浪力的计算

二阶波浪力的表达式为[8]：

其中：pij为同相位时域传递的部分；Qij为不同相位时域传递的部分。

由于高频二阶波浪力对浮体运动影响很小，故忽略了和频项。上式可简化为：

引入纽曼近似条件，可以得到：

其中：ωi和ωj为各对波浪成分的频率；ai、aj为波浪成分的幅值；εi和εj为辐射相位角。

2.1.3 风载荷的计算

系泊船舶的风力根据如下公式计算[9]：

其中：Fxw、Fyw和Mxyw分别为船舶纵向、横向所受到的风力和船舶在风作用下的首摇力矩。

2.1.4 流载荷的计算

系泊船舶的流力根据如下公式计算[10]：

其中：Fxc、Fyc和Mxyc分别为船舶纵向、横向所受到的流力、船舶在流作用下的艏摇力矩。

2.2 锚泊系统的运动方程及其求解

在风、流、流的作用下，系泊船舶的时域运动方程如下：

其中：Ms为船舶质量矩阵；Madd为附加质量矩阵；K为静水力刚度矩阵；h(t)为加速度迭代积分矩阵；x为浮体位移；F为环境作用在船舶上的力;Fmb为锚链作用在船舶上作用力。

锚链的运动方程如下：

其中：Mm为锚链质量；Cm为锚链受到的阻尼；Km为锚链刚度；u为锚链位移；Fm为作用在锚链上的力。

锚链与海底刚性连接，以此为边界条件，联立方程（16）、（17），可获得船舶与锚链运动方程的耦合解。

3 海工辅助钻井船锚泊系统计算分析实例

3.1 基本参数

1）船舶基本参数

船长110 m，型宽31 m,设计吃水6m，排水量16 500 t。

2）锚泊缆参数

锚泊系统缆绳所用的材料是钢丝，刚度EA为2 3000 kN，最小破断拉力为3 200 kN。

3）锚链布置方案

采用八锚索的布链形式，锚链角为30°和60°，锚索的伸出长度为1 450 m。

3.2 锚泊系统正常工作的要求

根据规范API规定，在特定海域，回复周期为10年的环境条件下，锚泊系统的锚泊缆张力必须满足安全系数的要求，即在锚泊线完整和一根锚泊线破断不完整两种状态下的安全系数分别为1.67和1.25。

在一般情况下，锚不能承受竖直向上的拉力，故锚泊线海底段（即锚泊线与海底接触的部分）长度不能为0。

3.3 计算结果

3.3.1 在水深100 m锚泊系统分析

根据规范要求，在回复周期为10年环境条件下（蒲氏风级B-8）对锚泊系统进行计算，包括两种状态：锚泊线完整的状态和一根锚泊线断裂的状态（假设完整状态下受到张力最大的锚泊线断裂）计算结果如下：

在锚泊线完整的情况下，N、NE、E环境方向的最大张力分别为97、145、156 t，安全系数分别为3.2、2.2、2.0，均大于规范的要求1.67；

在一根锚泊线断裂的情况下，N、NE、E环境方向的最大张力分别为135、235、155 t，安全系数分别为2.3、1.3、2.0，均大于1.25。而且锚泊线海底段长度均大于0，所以在水深100 m、回复周期为10年的情况下锚泊系泊是符合规范要求的。

3.3.2 在特定水深情况下锚泊系统所能承受的最大蒲氏风级分析

（1）在水深100 m、蒲风9级的情况下

根据计算结果，N、NE、E环境方向的最大张力分别为91、136、130 t，安全系数分别为3.5、2.3、2.4，均大于1.67，而且锚泊线海底段长度均大于0，所以锚泊系统在水深100 m、蒲风9级的情况下是满足规范要求的。

（2）在水深150 m、蒲风8级的情况下

根据计算结果，N、NE、E环境方向的最大张力分别为72、110、98 t，安全系数分别为4.4、2.9、3.2，均大于1.67，而且锚泊线海底段长度均大于0，所以锚泊系统在水深150 m、蒲风8级的情况下是满足规范要求的。

（3）在水深150 m、蒲风9级的情况下

根据计算结果，在N、NE、E环境方向的最大张力分别为85、129、123 t安全系数分别为3.7、2.5、2.6，均大于1.67，但是出现锚泊线海底段长度为0的情况，所以锚泊系统在水深150 m、蒲风9级的情况下是不安全的。

（4）在水深200 m、蒲风7级的情况下

根据计算结果，在N、NE、E环境方向的最大张力分别为59、78、78 t，安全系数分别为5.4、4.1、4.1，均大于1.67，而且锚泊线海底段长度均大于0，所以锚泊系统在水深200 m、蒲风7级的情况下是满足规范要求的。

（5）在水深200 m、蒲风8级的情况下

根据计算结果，在N、NE、E环境方向的最大张力分别为85、97、92 t，安全系数分别为3.7、3.2、3.5，均大于1.67，但是锚泊线海底段长度出现为0的情况，所以锚泊系统在水深200 m、蒲风8级的情况下是不安全的。

4 结论

（1）船舶的锚泊系统在水深100 m、蒲风9级或者回复周期为10年的各个方向的环境条件下，都满足规范API对系泊缆张力安全系数的要求，并且锚没有抬升；

（2）在水深150 m蒲风8级及以下的环境条件下是可以工作的；在水深200 m、蒲风7级及以下的环境条件下是可以正常工作的。

[1]刘应中.系泊系统动力分析的时域方法[J].上海交通大学学报, 1997,31(11).

[2]罗晓健.浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究[J].中国海洋平台,2012, 27(1).

[3]盛庆武.3000t 铺管起重船铺管作业锚泊定位系统设计研究[J].船舶与海洋工程, 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].