钻井平台拖航阻力计算

李伟峰，史国友

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

钻井平台拖航阻力计算

李伟峰，史国友

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

为有效计算已知条件下钻井平台所受外界环境的合作用力，以确定拖航时拖船数量和功率的配备或评估拖航作业是否安全，参照相关行业领域的规范，对拖航时钻井平台所受风、流和浪作用力分别进行计算，并通过力的合成原理计算其所受合外力，并以某钻井平台为例进行计算，计算结果与实际情况基本一致，证明该计算方法可行。

钻井平台；拖航；阻力；风作用力；流作用力；波浪作用力

在海上拖航运输中，通过理论计算得到拖航阻力的准确数据是比较困难的，它涉及到风、浪、流等外部作用力及平台的具体形式，但较准确估算被拖物的拖航阻力，对选择合适的拖船，满足规范的要求，确保整个拖航航次的安全、经济和有效都具有十分重要的意义[1]。中国船级社指导性文件《海上牵航指南》[2](1977)对保证海上拖航作业安全起到了非常重要的作用，其推荐的“海上拖航阻力估算方法”是目前拖航运输中对被拖物进行阻力估算最常用的方法之一。但这种方法仅仅估算了摩擦阻力、剩余阻力以及风阻，并没有给出波浪阻力的计算方法；Nobel Denton的《海上牵航规范》[3]中对牵航阻力有明确的要求，但并没有给出具体的计算方法；流体力学(CFD)软件可以用来计算海上结构物的受力情况[4]，但需要首先建立结构物的三维模型，钻井平台结构复杂，建立完善的三维结构模型并进行合理的网格划分需要耗费很大的精力和时间，在应用中受到很大限制；一些海工组织或机构通过软件DrillWind和FnGWind来计算海上建筑物的风荷载[5]，但这些软件需要建立海上结构物的外部轮廓模型，比较复杂，使用不便；另外，钻井平台拖航阻力还可以通过模型水池实验方法进行求取，虽然计算精度较高，但该方法需要大量的人力和物力，经济性较差。

考虑依据《港口规划与布置》[6]对钻井平台所受风作用力进行计算，依据《港口工程荷载规范》(JTJ215-98)[7]对钻井平台所受流作用力进行计算，依据《海港水文规范》[8]对钻井平台所受波浪作用力进行计算，并通过力的合成原理求取其所受合外力，为确保拖航过程的安全提供理论依据。

1 钻井平台受力分析与计算

钻井平台拖航时所受外界环境的作用力由以下3个组成：风作用力、流作用力和波浪作用力[9]。

1.1 风作用力

在风作用力的计算上，《港口规划与布置》和《港口工程荷载规范》中采取了不同的计算方法，计算结果略有不同，但《港口规划与布置》的计算结果较《港口工程荷载规范》的计算结果略微偏大[10]。为了安全起见，在此采用前者的计算方法，所以拖航钻井平台所受风作用力根据下式进行计算。

(1)

式中:Fa为钻井平台所受风作用力，N；ρ为空气的密度,0.123 kg·s2/m4；V为相对风速；θ为风舷角，即风向与船体艏艉线的夹角，见图1；C为风压系数，由式(2)计算。C=1.325-0.05cos(2θ)-

(2)

式中:θ为风舷角，如果横风，θ=90°；A为船舶水面以上部分的正投影面积，m2；B为船舶水面以下部分的侧投影面积，m2。

A和B的值计算分满载和压载两种情况，式(3)和式

(3)

(4)

式中：DW为船舶载重吨位。

通常情况下，风压力的方向与风舷角并不完全一致，他们之间存在一定的关系[11]。风压力的方向又称风压力角，具体计算方法见式

(5)

1.2 流作用力

(6)

式中：Fc为水流对船舶的作用力，kN；C为流作用力系数，可以参照式(7)计算；ρ为水的密度，t/m3；V为水流相对于船舶的速度，m/s；S为船舶水线下的表面积，m2，可以参考式(8)计算。C=0.046Re-0.134+b

(7)

式中：b为系数,与船型有关，不同船型数值不同，可以查取,在此取0.015；Re为雷诺数,Re=V·L/υ。

其中，V为水流相对于船舶速度；L为船舶当时水线的长度；υ为水的运动粘性系数，与水温有关,按平均水温15 ℃时取1.14。S=1.7LD+CbLB

(8)

式中：D为船舶吃水；B为船宽；Cb为船舶的方型系数，在此近似取0.825。

1.3 波浪作用力

在海上工程设计时，波浪作用力通常采用数值计算，需要详细的船舶资料和波浪资料[12]。波浪作用力的计算参考交通部行业规范《海港水文规范》中波浪对固定柱形物体作用力计算公式计算。当波向线与固体轴线成45°夹角时，波浪最大水平作用力计算见式

(9)

式中：Fw为波浪对柱体的作用力，kN；r为水的比重；H为波高，m；L为波长，m；l为柱体断面对角线长度；D为船舶吃水，m；d为水深，m。

2 钻井平台所受合力计算

2.1 建立船舶平面坐标系

按照航海习惯方法，以船舶中心为原点O，以船长(纵向)方向为X轴，以船宽(横向)方向为Y轴建立平面坐标系，见图2。图2中，Fa为风作用力；α为风压力角(风作用力与船舶艏艉线的夹角)；Fc为流作用力；β为流作用力与船舶艏艉线的夹角；Fw为波浪作用力；γ为波浪作用力与船舶艏艉线的夹角。

2.2 合力计算

根据力的分解原理，风作用力可以分解为X轴和Y轴方向的2个分力。

同理，流作用力可分解为

流作用力可分解为

船舶所受合力为Ft=Fa+Fc+Fw=

(13)

所以，船舶所受合外力大小为

(14)

3 实例计算

以我国某钻井平台资料为例进行计算，以验证该计算方法的可行性。

3.1 钻井平台资料

总长：56.00m;总宽：48.88m;型深：6.56m;拖航时平台吃水：4.00m。另外，根据海图资料，拖航航向090，拖航速度4.5kn。

3.2 计算环境条件

中国船级社《海上牵航指南》和NobelDenton海上牵航规范中规定，对拖航阻力进行估算时应考虑的环境条件见表1。

表1 钻井平台拖航环境条件

3.3 计算结果

根据前述对风作用力、流作用力和波浪作用力计算公式，将表1数据代入，可以计算钻井平台所受风作用力、流作用力、波浪作用力和合作用力及其方向，见表2。

表2 钻井平台受力计算结果

另外，在同样的外界环境下，针对不同拖航速度下的拖航阻力分别进行计算，计算结果见表3。将表3中的计算结果标注在钻井平台拖航阻力曲线图上，并连接成平滑的曲线，如图3中虚线所示，实线为钻井平台拖航阻力曲线。通过比较不难看出，两线吻合程度较高，尤其在低速拖带下两线几乎完全吻合。证明该计算方法能够比较真实的估算出钻井平台拖带时的阻力大小，具有一定的使用价值。

表3 不同拖航速度下的阻力计算结果

4 结论

1)计算结果与钻井平台的拖航阻力曲线高度吻合，尤其是在低速拖航时吻合度最高。

2)在拖航速度较高时，计算结果与拖航阻力曲线吻合度略有降低，但本计算方法的计算结果较拖航阻力曲线略大，不会影响拖航的安全性。

3)在风作用力计算时，要注意风作用力的方向和风舷角的方向是不同的。

4)在波浪作用力的计算上，本计算方法较数值计算或软件计算简便、实用、快捷。

5)从本计算结果和阻力曲线可以看出，拖航阻力随拖航速度的增加而增加，因此，在拖航时应严格控制拖航速度，保证拖航作业的安全。

[1] 沈浦根.谈拖航阻力的估算[J].航海技术，2011(5):8-12.

[2] 中国船级社.海上牵航指南[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3] Nobel Denton. General guidelines for marine transportations[S]. Nobel Denton International Ltd.,2005.

[4] 余建伟.基于CFD的船舶阻力计算与预报研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[5] 杜仲，刘永刚，李伟.自升式平台拖航阻力评估[J].船舶工程，2014，36:181-184.

[6] 洪承礼.港口规划与布置[M].北京：人民交通出版社，2007：40-52.

[7] 港口工程荷载规范:JTJ215-98[S].1998.

[8] 海港水文规范：JTS145-2-2013[S].2013.

[9] 沈浦根.拖航阻力的分类与计算[J].航海技术,2007(2):26-27.

[10] 邹炎焱,杨国豪,徐轶群,等.大型FPSO拖航阻力的计算[J].机电技术,2014(2)：133-135.

[11] 曾骥,尹艳,王超.浮式结构物拖航阻力计算方法探讨[J].船海工程,2016,45(1):168-172.

[12] 唐广银,杜尊峰.自升式钻井平台海上迁航阻力计算研究[J].海洋技术学报,2014(6):18-22.

Calculation of External Load for the Towed Platform

LI Wei-feng, SHI Guo-you

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

It is necessary to calculate the total external load of a platform in order to determine how much power and how many tugs should be arranged or to assess safety when it was towed. A method was given to calculation the total external load of the towed platform including the wind force, current force and wave force, as well as the composition of these forces. Taking a real platform as example, the calculation result was agreed with the real situation, certifying that the calculation method is correct and valuable.

platform; towing; drag; wind force; current force; wave force

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.028

2016-06-20

中央高校基本科研业务费专项经费资助(3132015009)

李伟峰(1983—)，男，硕士，讲师

U661.31

A

1671-7953(2017)02-0121-04

修回日期：2016-07-25

研究方向:船舶与海洋工程、船舶智能避碰