非对称起重拆解平台码头系泊方案优化

王庆丰， 章 瑶， 徐 骁， 祁 斌

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

0 引 言

新型拆解平台的出现及时满足了现阶段海工行业的发展需要。由于目标平台吨位大、码头装卸载作业时间长，因此在其暂停码头时系泊的安全性就必须引起重视。当平台受到强风浪流载荷时，平台的运动响应就会变大，一旦平台上系泊缆绳所受张力大于其本身的破断强度，缆绳就会发生断裂，进而对平台和码头都会造成极大的损伤[1]。因此，对码头系泊能力的研究是保证平台安全性的重要前提。许多学者也非常注重对码头系泊能力的研究。王果等[2]对大型滚装船码头系泊能力进行分析，评估其系泊系统的安全性。嵇春艳等[3]对船舶系泊缆绳进行优化，总结码头系泊方式的新思路。孙小路等[4]以海工辅助船为研究对象，计算其码头带缆的受力情况，并针对在风浪流作用下系泊船的横向受力分析得到限制带缆系泊的关键因素。雷林等[5]分析大型游船的系泊系统水动力性能，总结该游船码头系泊时的一系列运动规律，为同类型游船的码头系泊提供参考依据。胡毅等[6]对某大型液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG) 船进行码头系泊研究，为该船设定系泊方案并评估其码头系泊能力，为码头系泊的安全性提供新的研究方法。

本文从非对称式拆解平台停留码头时的系泊安全性出发，对不同系泊方式下平台的系泊能力进行仿真，分析结果后给出针对性的优化系泊方案，以达到材料使用成本最小化、系泊能力最大化的目标。

1 理论基础

在运用三维势流理论进行计算时，需忽略流体黏性，并假定其是不可压缩且无旋运动的理想型流体。在AQWA软件中，系统会计算平台所受的一阶波浪力，而海洋平台在波浪中所受到的一阶波浪力通常包括入射波浪力和绕射波浪力。

入射波浪力FI,j为

(1)

绕射波浪力Fd,j为

(2)

式(1)和式(2)中：ω为规则波频率；ρ为海水密度；φI为入射波速度势；φd为绕射波速度势；nj为第j个自由度法向，j=1,2,3,…；S为湿表面面积。

AQWA通过数值求解式(3)计算拆解平台在规则波作用下的幅值响应算子(Response Amplitude Operator，RAO)。

Ms(ω)X+Ma(ω)X+C(ω)X+Ks(ω)X=F(ω)

(3)

式中：Ms为结构质量矩阵；Ma为水动力附加质量矩阵；C为系统线性阻尼矩阵；Ks为系统总刚度矩阵；F为系统所受的波浪力(单位波高)；X为RAO。

2 拆解平台系泊布置分析

2.1 拆解平台主尺度及码头参数

目标平台整体结构具有非对称性，由2个非对称浮体、4个立柱与1个箱型上层船体组成，且无横撑。平台总长Lpp为137.75 m、宽度B为81 m、总深度D为42.8 m、主浮体长为137.75 m、副浮体长为122 m、吃水t为17 m、排水量Δ为54 177 t。该平台临时停靠码头的长度为500 m、宽度为30 m。

2.2 拆解平台码头系泊缆绳的选取与布置

经实地考察并参照码头现有981海洋平台的系泊方式后对非对称起重拆解平台初设定10根码头系缆绳，其中船首和船尾各3根、中间采用八字形布置4根，编号为1～10号。系缆绳选用锦纶复丝缆绳，直径为112 mm，断裂强度为2 060 kN。考虑到非对称性及停靠时方向的不确定性，缆绳的具体布置情况如图1和图2所示。

图1 系泊布置1

图2 系泊布置2

2.3 环境参数

平台临时停靠南通港，因此码头系泊时风浪流环境载荷参数设定如下：查阅资料可知南通港常风向为东南风，最大风速可达26.3 m/s。涨潮时表面最大流速为0.99 m/s，选取的流向为0°和180°(对系泊方案1来说，0°为船尾迎流、180°为船首迎流，系泊方案2则相反)。采用的风向为0°、90°和270°(90°风向为由海吹向陆地的拢风，270°风向为由陆地吹向海的开风)。浪向的设定选用0°、45°和90°等3个方向。

2.4 码头系泊风浪流工况组合

根据目标平台临时停靠的南通港风浪流统计数据资料，确定码头系泊能力考核的工况如表1所示。

表1 南通港码头系泊能力考核工况汇总

2.5 码头系泊张力数值及结果分析

利用AQWA软件完成对各设定工况的求解，并从中选取6种典型工况对目标拆解平台的码头系泊能力进行评估。当平台处于平衡时，得到2种系泊停靠方式、6种不同工况下10根缆绳的最大张力，统计如表2所示。

表2 系泊缆绳张力数值 kN

续表2 系泊缆绳张力数值 kN

根据表2，对比各数据结果，得出如下结论：

(1) 在各风浪流载荷的共同作用下，10根缆绳的最大张力均小于所选用缆绳的最大破断载荷，这说明此系泊方案能保证2种不同停靠方式下平台的系泊安全性，这也是码头系泊的前提。

(2) 对于不同风浪流载荷的作用，各缆绳的张力大小也随之产生变化。以系泊方式1为例，对比工况1与工况2可知，在风、浪载荷一定的情况下，流向对于缆绳的张力大小有一定的影响。当流向为0°时，对系泊方式1来说船尾迎流，平台整体有向前的运动趋势，这导致1号、2号、3号、4号、6号缆绳成为倒缆，进而缆绳受力也明显小于其余各缆绳。当流向为180°时，该5根缆绳顺流受力，这也使得其受力明显大于其为倒缆时的受力。工况8与工况14相比，保持了浪、流向的一定，只改变了风向，但由于90°风为拢风，在一定程度上使平台有贴近码头的趋势，而开风则恰恰相反，这也直接使得在开风状态下所有缆绳张力远大于拢风下的各缆绳张力，由此可见，缆绳张力受风向的影响较大。当风、流载荷不变时，浪向的变化对各缆绳的张力影响不大，在0°浪向下各缆绳张力稍大于其在设定的另外2个浪向下的张力。

(3) 结合2种系泊方式下的张力可知，船中4根较短的缆绳所受张力之和远大于船首尾处缆绳所受的张力之和，这是由于这几根缆绳长度最短、会最先承受横向张力，并且其也是系泊系统中最主要承受横向张力的缆绳点；对比这4根缆绳的张力发现：采用八字形方式连接存在缆绳受力不均匀的现象，当缆绳迎流受力时，受力明显增大，与其相对的倒缆则只承受小部分张力，这也暴露出了一定的问题，那就是当遇到极端天气时，平台所处的风浪流载荷也会随之变强，可能会导致某根缆绳的受力过大而断裂，进而对码头系泊安全性造成一定的威胁。而船首尾处的缆绳受力相对较小，但长度却较其他缆绳而言更长，因此如何在保证系泊安全性且不改变缆绳材料的情况下，达到材料使用成本最小、缆绳受力最均匀、系泊能力最大需重点关注。

3 系泊方案优化

虽然初设定的码头系泊方案可满足目标平台临时停靠南通港的安全性要求，但仍存在一定的问题。若某根缆绳受力过大，遇到极端天气时会发生绳索断裂；若缆绳的受力过小，则在一定程度上会造成缆绳使用效率过低。限于篇幅，仅针对系泊方案2进行一些优化。

3.1 系泊点连接优化

由于船首尾处的缆绳受力相对较小而长度过长，在原有系泊方案下使1号缆绳与2号缆绳共用2号缆绳系泊点，9号缆绳与10号缆绳共用9号缆绳系泊点，其他缆绳系泊方式不变，即1号缆绳的长度由原来的91.2 m减小至88.5 m，10号缆绳的长度由原来的89.8 m减小至87.6 m。优化方案1具体系泊方式如图3所示。

图3 优化方案1码头系泊示例

在环境参数不变的情况下，以工况14为例求解各缆绳在第一次改进后的最大张力，具体如表3所示。

表3 优化方案1各缆绳张力 kN

由表3可知，缆绳长度变小可在一定程度上增加缆绳受力。当1号和2号系泊缆绳共用1个系泊点时，1号缆绳将分担2号缆绳的一部分张力，从而2根缆绳的受力较改进前更为均匀。这也在保证系泊安全性的前提下，有效减少材料的使用成本，提高使用率。

3.2 船中缆绳的连接优化

船中几处较短的缆绳在某工况条件下受力远大于其余缆绳，虽能满足给定工况下的系泊安全，但受力分布较不均衡。

为使这几根缆绳的受力更加均匀化，进行以下改进：将船中4根缆绳由原来的八字形连接改为平行连接，即在优化方案1的基础上，保持各缆绳系泊方式不变，并将4号和6号缆绳的码头系泊点向后平移15 m，使其与5号和7号缆绳处于近似平行的位置，具体如图4所示。

图4 优化方案2码头系泊示例

再给其设定相同的环境载荷，统计各缆绳最大张力如表4所示。

表4 优化方案2各缆绳张力 kN

由表4可知第二次优化后船中4根缆绳的受力较改进前有明显变化，张力变得更加均匀，这说明将缆绳平行连接能有效缓解缆绳受力不均的缺点。不论平台所受到的水流方向是0°还是180°，改变船中缆绳的连接方式使中间4根缆绳变得更为灵活，不会再出现其中2根缆绳因为是倒缆而受力过小的现象，这样也有效减少了平台受极端天气而出现缆绳断裂的问题。

4 结 语

运用AQWA软件对非对称式拆解平台的码头系泊进行仿真数值研究，得到以下结论：

(1) 对目标平台临时停靠的码头参数进行设定，求解出各工况下10根缆绳的最大张力均小于选定材料的破断载荷力，这说明初设定的码头系泊方案能满足安全系泊的要求；风向、流向对缆绳的张力影响较大，尤其是风向，当风向由陆地向海吹时，各缆绳张力远大于风向由海向陆地吹时的张力，当平台有背离码头的趋势时，各缆绳必将承受更大的横向张力；须尤其注意几根较短的缆绳是系泊系统中承受横向张力的最主要缆绳，以防出现所受张力差异过大而导致绳索断裂的情况，从而对码头和平台造成损坏。

(2) 在首尾缆绳的连接优化中，减小缆绳长度，将其系于邻近的码头系泊点，在保证系泊安全性的同时，也在一定程度上缩短材料的使用长度，提高使用效率，并使缆绳受力分布较优化前有了一定的分散性。

(3) 对船中缆绳的优化连接表明，采用平行式的连接方案能让缆绳变得更为机动，随着平台的运动趋势能随时改变其受力方向，有效缓解缆绳受力不均衡的缺点，在材料使用最小的情况下达到系泊能力最大化的目标。