大型组块浮托系泊系统设计分析

匡 杨 李立涛 秦立成 王 燕 王振兴 张博文 李 鹏

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 概述

近几年来，海洋工程为保证大型驳船、复杂海域浮托作业要求，保证浮托作业施工安全可靠，在运输驳船甲板增加锚机系泊系统用于控制运输驳船，使其平稳就位[1-4]。目前海工自有运输船舶海洋石油221，海洋石油228，海洋石油229均可外加锚泊系统完成万吨级大型组块的浮托作业。

系泊系统包括150 t锚机、滑轮导向、锚缆、浮筒及15 t大抓力锚等，同时设计了一套可翻转滑轮系统，实现锚泊系统位置转换，确保了驳船顺利就位。

2 浮托系泊锚机设备及相关附属设备

目前海工根据浮托海域环境条件和运输驳船来设计系泊系统，一般分为4点，6点和8点锚系，并配备相应的辅助设备完成浮托作业。本文以秦皇岛32-6CEPI组块为例，介绍锚系系泊计算分析。秦皇岛32-6CEPI组块于2014年6月完成海上浮托作业，该浮托锚系系统采用4点锚系布置与海洋石油228，同时因水深为21.88 m不需要预布锚系。

目前海洋工程拥有8台150 t系泊锚机可用于浮托作业中。该绞车为液压移船定位锚机，中间层额定拉力为150 t(卷筒钢丝绳第4层)，滚筒刹车能力不小于350 t，额定线速度0 m/min～15 m/min，自由放绳速度 200 m/min；滚筒钢丝绳直径为76 mm，钢丝绳最小破断载荷(MBL)为400 t，滚筒容绳量为1 500 m；绞车配套HPU和控制单元。

水平滚轮配合150 t系泊绞车钢丝绳使用，工作载荷350 Te，试验载荷不低于1.1倍MBL，根据不同位置需求分为90°使用角、130°使用角和150°使用角。翻转式水平滚轮配合150 t系泊绞车钢丝绳使用，工作载荷350 Te，试验载荷不低于1.1倍MBL，115°使用角。360°旋转导缆器配合150 t系泊绞车钢丝绳使用，工作载荷350 Te，试验载荷不低于1.1倍MBL。

3 锚系系统计算分析

3.1 锚系设计标准

根据GL Noble Denton 0032/ND系泊系统的布置需考虑浮托作业的限制环境条件以及运输船总体布置计划，并且结合船舶运动分析和系泊分析，确定系泊绞车规格和数量，并以此进行临时导缆桩、带缆桩的选择与设计。在实际工程计算中采用时域分析法(附加质量，阻尼和波浪力)预测运输驳船运动和锚泊缆绳张力，计算时长为3 h，并考虑多种环境组合；秦皇岛32-6CEPI组块锚泊设计标准为：

通常要求拖曳锚的安装位置误差应控制在50 m以内；

锚距离水下结构物的水平距离应不小于100 m；另外，若跨越海底管线、电缆等水下结构，锚应布置在系泊缆与海底管缆交叉点的300 m水平径向范围之外。

锚缆张力完整工况动态安全系数为1.67(据表1选择)。

15 t大抓力锚无上拔力；若一根锚系损坏，可以承受部分上拔力，但上拔力应小于锚的重力；

锚缆与海底管线垂直间隙最小值为5.47 m(25%水深，见表2)。

表2 锚缆与海底管道垂直间隙

3.2 环境条件

秦皇岛32-6CEPI组块锚泊系统设计中考虑两个工况：待命工况和操作工况；计算过程中假定风和流与波成线性关系；同时考虑锚系布置不对称性，浪向取0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。详细环境条件见表3。

表3 计算分析环境条件

3.3 锚系计算

Newmark积分法用于锚泊系统时域分析计算中，时间步骤为0.2 s，每次模拟的持续时间为3 h。分析中波浪采用JONSWAP谱模拟；风采用NPD频谱模拟1 min平均风速，受风面包括上部结构和甲板设备,DSF,滑道和驳船干舷；流被认为是在恒定速度。采用拖曳面和莫里森方程计算相对流速。对于待命工况,驳船和船顶被建模为一个具有6自由度的单刚体,在时域模拟中,因为驳船和船顶之间的相对运动是微不足道的,相互作用载荷并不令人担忧。

3.3.1待命工况

表4中列出秦皇岛32-6CEPI组块待命工况和操作工况时环境条件，风、浪和流为共线性，这样选取较为保守。表4显示了待命工况下各锚缆最大张力，其发生在锚缆SPM_FS(90°浪向，Tp=8.66 s)，最大张力为171.2 t(安全系数2.24>1.67)(见表5)。

表4 锚缆最大张力(待命工况)

表5 锚缆张力(90°浪向，待命工况) t

通过动力学分析研究了在待命工况下锚缆和管线之间的最小垂直间隙，最小垂直间隙发生在系泊张力最小时。计算结果显示锚缆SPM_FP的最小张力为9.3 t(90°浪向，Tp=8.66 s)，锚缆SPM_FS的最小张力为 5.6 t(315°浪向，Tp=8.66 s)。锚缆SMP_FP与管线之间的最小垂直间隙分别为13.76 m,15.68 m,14.43 m,15.22 m,12.17 m,13.79 m和16.35 m，锚缆SPM_FS与管线之间的最小垂直间隙为6.40 m,13.33 m和8.50 m，均大于5.47(25%水深)。

通过MOSES计算15 t大抓力锚是否有上拔力，计算结果显示锚缆最大张力和锚缆卧缆最小长度发生在SPM_FP和SPM_FS缆绳。表6显示SPM_FP缆绳最小卧缆长度为57.2 m，各锚缆无上拔力。

表6 锚缆最大张力和锚缆卧缆最小长度(待命工况)

3.3.2操作工况

表7显示了操作工况下各锚缆最大张力，其发生在锚缆SPM_FP(270°浪向)，最大张力为139.9 t(安全系数2.86>1.67)。

表7 锚缆最大张力(操作工况)

通过动力学分析研究了在操作工况下锚缆和管线之间的最小垂直间隙，最小垂直间隙发生在系泊张力最小时。计算结果显示锚缆SMP_FP的最小张力为28.3 t(45°浪向)，锚缆SMP_FS的最小张力为27.2 t(315°浪向)。锚缆SMP_FP与管线之间的最小垂直间隙分别为11.32 m,13.37 m,15.58 m和15.56 m，锚缆SPM_FS与管线之间的最小垂直间隙为22.34 m和25.68 m，均大于5.47(25%水深)。

通过MOSES计算15 t大抓力锚是否有上拔力，表8显示SPM_FP缆绳最小卧缆长度为58.18 m，各锚缆无上拔力。

表8 锚缆最大张力和锚缆卧缆最小长度(操作工况)

4 结语

国内海洋工程浮托越来越依赖锚系，安全，可靠，操作简便，大大提高了浮托作业效率。目前浮托作业根据施工海域和船舶可设计4点锚系，6点锚系和8点锚系进行辅助作业，通过设计过程中使用MOSES进行锚系分析，用SESAM进行时域分析校核，同时可利用模型试验与数值计算结果相互验证。经过一系列优化得出系泊锚缆的长度、直径及设计角度等结果。此外，由于浮托现场部分系泊锚缆底部有管线，设计中要选取合理位置施加浮筒，经过反复计算优化浮筒的尺寸和浮筒固定缆绳的长度，得出最优的系泊设计方案。