大丰项目海上升压站导管架滑移装船驳船系泊分析

马一歌，李艳艳，郭鹏增

1.北京市海淀区精华学校，北京 100096

2.中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266000

华能江苏大丰海上风电升压站导管架采用4腿导管架型式，上设靠船构件、登船平台、J 型电缆护管等附属构件。导管架为30.18m×22.68 m×17.1m（高）的空间桁架结构，总质量约920 t。本工程拟采用滑移方式将导管架装船，运输驳船选用15 000 t 级甲板货船，船长125 m，型宽25 m，型深7.5 m，干舷高度2.5 m。

驳船码头系泊时虽然通过缆绳与码头连接固定，但其仍可以随着潮汐、货物的装载卸载等做升沉运动，同时由于风、水流、波浪等外在环境因素作用而产生振荡，包括6个自由度的运动（纵移、横移、升沉、横摇、纵摇、回转）[1]。由外海传来的波浪或附近船舶航行兴起的波浪会使船舶产生较大幅度的运动，严重时会影响装卸作业，延长驳船靠岸时间，增加成本，甚至会发生断缆等严重事故。此外船舶运动中对码头的碰撞将影响其结构强度和码头稳定性。由于本项目选择的船舶船型大，自身锚机能力不足，需要增加卷扬机系统加强驳船系泊强度，故需要进行针对性的系泊设计及船舶系泊状态计算分析，且导管架到达甲板预定位置后驳船受风、浪、流影响最大，故本文针对导管架滑移到位后驳船系泊进行分析，以确保导管架滑移装船作业期间船舶系泊稳定可靠，保证作业安全。

1 环境荷载分析

项目所在海域施工时段情况的环境条件见表1。

表1 施工环境风浪流参数

1.1 风力分析

根据中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》[2]第二章第二节，风压按下式计算：

式中：P 为风压，kPa；V 为设计风速，m/s。

根据《海上移动平台入级与建造规范》，作用在构件上的风载荷由下式计算：

式中：F 为风荷载，kN；S 为平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积，m2；Ch为高度系数；Cs为形状系数。

本项目中导管架安置于驳船上时，沿两个水平方向的投影面积如图1 所示，其中X 轴方向为驳船长度方向，Y 轴方向为驳船宽度方向。

图1 导管架安置于驳船上时的投影面积示意

根据所给参数，可得风荷载体型系数（见表2）。

表2 X及Y方向风载荷体型系数

由X、Y 方向的风荷载可求得在风向下船体受到的合力。根据API RP 2SK[3]，随机方向下的风载荷可用下式进行求解：

式中：φ 为风载荷方向；Fφ为在该风载荷方向下的力；Fx为X 方向下的力；Fy为Y 方向下的力。

在求得任意方向下的风力后，并沿X 及Y 方向分解，如下式所示：

式中：Fφx、Fφy为该风载荷在X、Y 方向的分力。

通过上式计算，可得在0°～90°风向时X 及Y 方向的风载荷体型系数（见表3）。

表3 0°～90°风向时船体及导管架风载荷体型系数

1.2 海流力计算

根据《海上移动平台入级与建造规范》第二章第四节，当只考虑海流作用时，作用在平台水下部分构件的海流载荷可按下式计算：

式中：F 为海流荷载，kN；ρw为海水密度，kg/m3；V 为设计海流流速，m/s；A 为构件在与流速垂直平面上的投影面积，m2；CD为拖曳力系数，属于经验系数，一般应与波浪运动学理论相配合。在波动流中，CD不仅与雷诺数Re 和构件表面相对粗糙度有关，还与库尔根-卡培数KC有关，此处根据DNV-RP-C205[4]，CD取1.9。

2 系泊系统设计

针对驳船靠泊码头，需要避开单点系泊，采用浮式海洋平台中的成熟的多点系泊，减少系泊定位建造成本。采用8 缆布置设计，如图2 所示，其中L-5、L-6、L-7、L-8 与L-1、L-2、L-3、L-4 系泊点和锚点坐标关于X 轴对称，系泊缆参数见表4。

图2 驳船系泊系统

表4 系泊缆参数

3 有限元模型

在ANSYS 模块中建立驳船靠泊码头模型，采用面元积分法在AQWA-LINE 模块中对船体进行频域分析，得到RAO、一阶波浪力和二阶波浪力等水动力基本参数，最终在AQWA-DRIFT 模块中对驳船靠泊的系泊系统进行时域分析，求解系泊缆动张力及平台漂移量情况，同时对系泊缆强度的安全性进行规范校核。驳船的静水力参数：设计吃水5.0 m，型深7.5 m。

在ANSYS 中进行建模，采用4 节点四边形单元进行有限元模型划分，驳船网格密度1.0 m，码头网格密度3.0 m。混凝土码头为C35 钢筋混凝土结构，弹性模量3.15×1010Pa，泊松比0.3；船体为DH36 钢结构，弹性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3。模拟时设置码头远离船体的三个侧面位移为0，码头系缆柱与码头相对位置为0。坐标系为右手坐标系。

在ANSYS 模型中导入AQWA，基于三维势流理论，应用面元积分法，通过AQWA-LINE 模块在频域内进行驳船的RAO、附加质量系数、附加阻尼系数、一阶波浪力及二阶波浪力的计算。船体在AQWA 软件中的水动力模型如图3 所示。

图3 水动力计算模型

4 频域水动力分析

在AQWA 软件的水动力分析模块AQWALINE 中对驳船进行频域水动力分析，并获得其水动力参数。其在不同浪向下的六自由度幅值响应算子RAO 如图4 所示，由于版面限制此处只展示两幅典型的RAO 图。

图4 在不同浪向下船体六自由度的幅值响应算子

在不同浪向下，船体六自由度的一阶波浪力如图5 所示。

图5 在不同浪向下船体一阶波浪力

在不同浪向下，船体在水平面内受到的二阶波浪力如图6 所示。

图6 在不同浪向下船体在水平面内受到的二阶波浪力

通过频域耦合分析可以看到：横、纵、垂荡及纵摇都是随着频率的增大，RAO 幅度减小；而横、艏摇则是随着频率的增大，先增大后减小，峰值出现在0.45 附近；其中艏摇、横荡及横摇时，RAO数值最大，造成的影响较大；垂荡通过压载和负载调节，而艏摇、横摇、横荡通过系泊缆调节，对系泊缆张力影响最大。一、二阶波浪力随着频率增大基本都是先增大后减小，峰值对应的频率各不相同，其中横荡及横摇90°方向受力时波浪力最大，0°方向受力时波浪力最小。

5 时域全耦合分析

在全时域耦合模块AWQA-DRIFT中建立浮体-系泊系统模型，输入环境条件参数，进行模拟计算分析。

码头靠泊时海况条件采用JONSWAP 波浪谱，JONSWAP 谱的推荐参数：ω=0.07（f ＜fp），ω=0.09 （f ＞fp），γ=3.3。其中：ω 为峰形参数；f为谱频率；fp为谱峰频率；γ 为谱峰提升因子，3.3为平均值。

系泊系统定位能力分析中，选择工况见表5。

表5 计算海况参数

6 系泊缆张力计算结果

根据ABS MODU 中第三部分第四章附录1 中对系泊强度及锚进行规范校核（见表6），在各个状态下，系泊缆强度应满足相应要求。

表6 系泊缆安全因子

在驳船达到平衡位置后，求解此时系泊缆索张力，对系泊缆的安全性进行校核。根据ABS MODU 规范，系泊缆完整工况的安全系数取1.67，破损工况取1.25。

6.1 风、浪、流环境载荷为90°方向

在工况90°方向，分别对完整工况LC1 和破损工况LC3 进行系泊系统安全分析，分析结果见表7、表8。由于90°方向时只有船舶一侧系泊缆处于拉力增大状态，另外一侧处于松弛状态，故只分析拉紧侧的系泊缆张力情况。

表7 完整工况90°方向系泊缆最大张力

表8 破损工况90°方向系泊缆最大张力

由计算结果可以看出：

（1）完整工况-子工况2 下的L-6 系泊缆张力最大，最大值为633.8 kN，安全系数2.319，满足规范要求。

（2）破损工况-子工况5 下的L-6 系泊缆张力最大，最大值为506 kN，安全系数2.312，满足规范要求。

6.2 风、浪、流环境载荷为0°方向

在工况0°方向，对完整工况LC2 进行系泊系统安全分析，分析结果见表9。在0°方向受力时，船体有向外侧运动趋势，L-1、L-2、L-5、L-6 受到张紧力，故只分析以下四条系泊缆张力情况即可。

表9 完整工况0°方向系泊缆最大张力

由分析结果可以看出，在风、浪、流环境载荷0°方向时，完整工况-子工况9 下的L-5 系泊缆张力最大，最大值为167.6 kN，安全系数4.773，满足规范要求。

项目通过三个有关规范及所提供的计算公式计算风力系数、流力系数，针对波浪载荷的随机性，本研究针对每种工况取10个子工况进行数值模拟，每个工况模拟3 h 历程，取10个子工况的平均值作为最终的模拟结果。

7 结论

通过对该系泊系统定位能力分析，在给定的3个工况30个子工况中，可以看出：

（1）根据频域分析结果，可针对影响最大的因素艏摇、横摇及横荡进行设计优化，通过扩大L-1、L-2、L-5、L-6 系泊缆与驳船的角度，增大系泊缆横向允许张力，并在船首增加系泊锚缆限制艏摇幅度，能有效减小艏摇、横摇、横荡对系泊缆造成的张力。

（2）完整工况下，系泊缆的最大张力发生在90°浪向工况LC1-2 中，最大值为633.8 kN，安全系数为2.319，满足设计要求。

（3）破损工况下，系泊缆的最大张力发生在工况LC3-5 中，最大值为506 kN，安全系数为2.312，满足设计要求。

针对该驳船停靠码头平台，在装载工况下，系泊系统能够满足定位能力及张力设计要求，并依托分析结果形成优化设计。