浅水沉管船的锚泊定位系统设计

2019-05-06潘方豪

船舶 2019年2期

郭宇潘方豪李璐

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

深中通道项目位于珠江中游核心区域，起于深圳市沿江高速公路机场互通立交，向西跨越珠江口，在中山市马鞍岛登陆。该项目需要在目标海域底部铺设沉管从而组成隧道，而工程船将安装船和沉管运输到作业海域后，需要先抛锚定位。鉴于作业海域海况复杂、河道可作业区域有限，同时下方沉管对接作业时精度要求高等原因，因此能够设计出满足项目实际需要的锚泊定位系统是项目成功实施的重要一环。

1 作业海域和限制条件

1.1 作业海域

如下页图1所示，深中通道沉管船的主要作业区域及用途主要包括三方面：一是位于船厂船坞的深水港池内进行浮潜作业，主要用于钢壳沉管隧道的浇注作业；二是在珠江航道内被拖航，主要用于钢壳沉管隧道等装置的内河运输任务，拖航范围为船坞的深水港池内至深中通道辅机；三是位于珠江航道内、靠近深中通道处、开挖的深水下潜坑内进行浮潜作业，主要目的是将钢壳沉管隧道等装置转移到其他浮运水道进行对接。

本文主要针对第三个作业过程，在C处的浮船坞下潜坑进行锚泊定位分析。待托运工程船撤走以后，作业过程分为两步，第一步是2艘安装船和沉管一起浮于水面处，第二步是将沉管逐渐下放直至海底实现精准对接。本文需分别针对这两种作业状态展开锚泊计算分析，以设计出满足要求的锚泊定位系统。

图1 工程船作业航道全程

1.2 限制条件

从图2可以看出，虽然下潜坑深22 m，但是下潜坑尺寸只比安装船尺寸略大，锚泊定位系统的水下部分需要布置到下潜坑外的水底，而周围水域水深仅为7.5 m。同时为保证所有锚点都布置在水深7.5 m的航道中，因此各锚索底部锚点距船舯的横向距离y要满足以下限制条件：

2 锚泊系统定位能力及强度分析研究

2.1 主尺度和环境条件

安装船主要技术参数如表1所示。

图2 安装船锚泊定位处航道图

表1 安装船的主尺度参数

沉管的标准管节为近长方体，尺寸165 m×46 m×10.6 m，自重73 000 t。

该船所处珠江航道在正常作业时环境参数如下页表2所示，风、浪、海流同向。正常作业风、浪、流角为 0°～ 90°。

在进行系泊定位分析计算时，频谱形式为JONSWAP谱，形状参数为1.0，风采用1 min定常风，流采用定常流。风、浪、流方向的定义如图3所示。

表2 环境条件参数

图3 环境载荷的作用方向

2.2 锚泊系统时域耦合分析方法

安装船及其系泊系统总体运动方程为：

式中：M为浮体质量矩阵；c为阻尼矩阵；k为刚度矩阵；Fs为静态力、Fwf为波频力、Fsv为低频慢漂力、Fm为系泊力、Fy为立管力，单位均为kN。耦合分析是将安装船和锚泊系统看成一个整体，使这两个系统完全被模拟在一个模型中，考虑风浪流的联合作用。本文所研究的系统没有立管力，风力和流力按照后文2.6和2.7节的相关公式计算得出。

二阶波浪力的近场解可以表示为：

2.3 设计衡准

本船锚泊系统根据ABS相关规范和美国石油学会API-RP-2SK 进行设计。规范对于动态分析下锚索校核需要的安全系数作了规定，安全系数是指锚索破断强度与所受最大张力之比。当采用动力分析法时，锚索张力的安全系数应不小于表3的规定值。

张力安全系数F规定为：

式中：FMBL为锚索的最小破断强度，kN；Fmax为锚索的最大张力，kN。

表3 极限张力和安全系数

2.4 锚泊系统布置形式

安装船锚泊定位作业时共有8根锚索，分为4组，每组2根，布置关于X轴和Y轴均对称。每组内一根锚索与中纵剖面的夹角为45°，另一根锚索与中纵剖面的夹角为135°。安装船锚泊定位锚索的编号从1号至8号变化，如下页图4所示。

图4 锚泊系统布置图

考虑到安装船的作业环境和经济成本，锚泊定位系统采用悬链线式，每根锚索由全钢丝绳组成，钢丝绳的参数如表4所示。锚索1号至8号抛出长度为180 m，预张力为250 kN。此时需查看初始状态下的锚泊系统典型横剖面的单根锚索，在预张力的作用下时在下潜坑和附近水底过渡处的位置，Z向是接近水线的，Y向是符合限制的，不会松绳或存在干扰情况。

表4 钢丝绳参数

2.5 水动力性能计算

采用HYDROD软件计算安装船的频域水动力性能。其中，遭遇浪向为0～180°，中间间隔15°，频率为0.02～2.0 rad/s，中间间隔0.02 rad/s。根据船体型线图建立的面元模型如图5、图6所示：

图5 安装船吊重吃水7 m初始状态

图6 安装船吊重吃水7 m下放状态

计算出的波浪力包括一阶波频力、二阶低频力和二阶平均波浪漂移力。选取部分有代表性的低频波浪力随频率的变化曲线展示如图7和图8所示。

图7 0°浪向下X方向低频波浪力

图8 90°浪向下Y方向低频波浪力

2.6 风载荷计算

风载荷作为定常力，作用在船体水线以上部分。参照API规范对首向和侧向风载荷的计算的经验公式：

式中：Cs为形状系数；Ch为高度系数；Ai为每个受风面的垂向投影面积，m2；Vw为设计风速，m·s-1。

2.7 流风载荷计算

在工程设计中，为简化起见，常将海流和潮流看作是稳定的流动，对安装船的作用力仅是拖曳力。参照API规范，方形船船体首向或尾向的海流力计算公式如下：

式中：Fc为首向或尾向海流力，N；S为按船体几何形状计算的除迎流面以外的水下部分湿表面积，m2；A为迎流面垂向投影面积，m2；Cf为摩擦阻力系数，取（1.5～2）Ns2·m-4；Cs为迎流阻力系数，Ns2·m-4。迎流面为平面时，Cs= 1.0，迎流面为半圆形时，Cs= 0.5；Vc为设计流速，m·s-1。

最终计算出的环境载荷对系统产生的静态作用力如表5、下页表6所示。

表5 初始状态环境条件下的风、浪、流载荷kN

从表中所示的环境力可以看出，虽然下放状态阶段的安装船和沉管总体的受流面积更大，但是因为下放状态的流速为1.03 m/s，小于初始状态的流速1.30 m/s，因此最后总的流力反而是小于初始状态的，且此时风力也相应减少，最后总的环境力也是小于初始状态的，因此只需校核相对危险的初始状态的受力即可。

2.8 锚泊定位分析结果

在SEASAM-DEEPC软件中，分别就所要求的环境条件下以及完整工况和单缆破断工况下，0°、30°、45°、60°和 90°这 5 个环境方向下的系统受力和偏移进行计算。并提取其中最危险的工况展示如表7所示。参照所需满足的设计规范要求，定位分析结果表明，无论是完整状态还是单缆破断状态，安装船的最大偏移和锚索最大张力均能满足规范要求。