“长大海升”起重船航行锚系统改造方案分析与锚泊定位能力校核

余立志，陈永青，彭小亮，李宏权，陈明胜，苑桂博

(1.保利长大工程有限公司港航分公司，广东 中山 528400；2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

广东阳江风电项目所在海域水深大、无遮挡、风级涌浪大，“长大海升”号起重船现有航行锚泊系统在锚机功率、锚链直径及抓地力等方面无法满足阳江海上风电施工的要求，因此需要对起重船的航行锚泊系统进行改造升级。

海洋工程船舶锚泊系统的改造设计研究中有学者对打桩船的四点锚泊系统进行试验，发现增加锚链的预张力和船舶吃水可以有效减小船舶的摇摆运动。数值方法上，国际和国内目前普遍采用间接时域方法分析系泊船体的耦合动态响应问题，通过间接时域方法对锚泊系统改造升级后船舶的定位能力进行了研究；通过准静态与时域动力分析方法对铺管起重船锚泊定位系统进行设计研究。商业软件的使用提高了锚泊系统分析的效率，有学者结合Hydrostar等水动力软件和Ariane7以及HARP对深水钻井船的锚泊系统进行优化设计；有学者则使用ANSYS-AQWA对FPSO系泊系统进行初步设计并进行时域计算和指标校核。本文主要对航行锚系统改造方案进行分析，采用基于势流理论的边界元方法，借助水动力分析软件ANSYS-AQWA对“长大海升”号起重船进行水动力计算，基于水动力分析结果，采用间接时域分析方法分析指定海况下锚泊系统改造前后起重船的锚泊定位能力，基于规范对锚泊能力进行校核分析，分析锚泊系统改造方案的可行性，并对环境参数进行敏感性分析。

1 理论基础

1.1 间接时域耦合分析

建立2个坐标系，见图1。固定坐标系-，随船坐标系-，其中-面与静水面重合，-轴正方向指向船艏。

图1 坐标系示意

根据线性势流理论假设，流场中的速度势满足下面控制方程。

(1)

J()d+2π·

(2)

根据Green定理推导绕射势和辐射势。

(3)

式中：为固角函数。引入船体湿表面源分布，并结合船体湿表面边界条件，由此得出速度势和源强度，分别为

(4)

(5)

获得速度势后，使用伯努利方程得到船体上的压力，将压力在湿表面积分得到作用在船体上的波激力和辐射力。获得以上参数后，采用文献[8]提到的船舶频域运动方程求解频域响应。

(6)

基于频域计算结果，通过逆傅里叶变换，建立以Cummins方程为基础的系泊船舶时域耦合运动方程。

()=()+()

(7)

式中：(∞)为浮体无穷大频率附加质量矩阵；()为脉冲响应函数(IRF)，可根据水动力系数采用傅里叶变换得到；()为波激力，N；()为其他外载荷，如风载荷、流载荷、系泊力等，N。通过求解时域耦合运动方程求得系泊缆索的瞬时张力和卧底长度。

1.2 锚泊能力校核方法

API RP 2SK规范指出，船舶漂移、锚链张力、锚链长度以及锚承载力等是系泊系统的设计指标。ABS提供了更易使用和参考的可接受准则——锚承载能力校核标准。

选取锚链张力和锚系留力2个校核指标、采用基于AQASY-AQWA仿真计算的系泊能力分析方法进行校核。

锚链悬链及受力见图2。

图2 锚链悬链与受力示意

假设海底是水平的，锚链孔到海底的距离为，重力锚在点处，为锚链在海底的卧链长度，为锚链上端总张力，由悬链线方程可求得锚链水平分力，即锚受到的水平力。

=-

(8)

式中：为锚链线沿平行方向分力，N；为锚链张力，N；为锚链线的单位湿重，N/m。

锚链系统提供的最大平行锚泊系留力为

=+=+

(9)

式中：为锚的系留力，N；为锚的抓力系数；为对应锚链的系留力，N；为锚链的抓力系数，一般锚链在不同地质中的抓力系数远较锚的抓力系数低，可取0.75～1.50，通常取0.75；为锚的重量，N；为锚链单位长度的重量，N/m。

使用ANSYS-AQWA求解出系泊缆张力和卧底锚链长度，带入式(8)和式(9)，求出锚链系统所提供的最大平行锚泊力。为防止锚链破断和走锚，需要满足以下安全条件。

(10)

(11)

式中：和分别为锚链和锚的安全系数，根据API规范中的设计准则，分别为1.67和0.80。MBS为锚链最小破断力，和分别为锚链张力和锚系留力许用值。

2 航行锚系统改造

“长大海升”号是1艘非自航双臂变幅式起重船，适用于我国沿海及近海的大型结构的吊运、安装。如图3a)所示。船长、型宽、型深和设计吃水分别为110、48、8.4、4.8 m。原船首尾设有8只AC-14锚作为工作锚，每只锚重10 t，用于船舶起重作业时的系泊定位。原船尾部设有2只斯贝克锚作为航行锚，每只锚重7 350 kg，用于船舶的临时锚泊及在作业海域的就地抗风，航行锚甲板布置图如图3b)。

图3 “长大海升”号起重船作业及布置示意

为了提高船舶在深远海就地抛锚抗风能力，需要对航行锚系统进行改造，主要改造方案是选择抓力系数大的大抓力锚、改换锚机、增大锚链的直径和长度,以及更换相关的设施。为了更加高效且准确的分析，根据改造方案与校核方法，对方案进行了简化，表1展示了计算校核中所考虑到的改造参数。

表1 改造前后航行锚系统相关参数

3 环境条件与建模

3.1 环境条件

锚泊系统改造前，原船在风力≤蒲氏10级时，可就地抛锚抗风；当风力>蒲氏10级时，需进港避风。锚泊系统改造后，要求“长大海升”号在水深50 m、蒲氏14级风、波高2.0 m、流速1.5 kn的海况条件下安全抛锚抗风。首先对要求的海况进行计算校核，同时为了探求改造后的起重船的抛锚抗风能力对环境参数的敏感性，选取表2所列环境参数进行计算并校核。

表2 计算环境参数

3.2 计算模型

使用ANSYS-DM和AQWA建立重船边界元模型。综合考虑计算效率和计算精度，选取1.2 m的网格尺寸，起重船水动力分析元模型见图4。频域计算频率范围是0.05～2.50 rad/s，计算步长0.05 rad/s。

图4 “长大海升”号边界元模型

时域计算选择JONSWAP波浪谱，谱峰值参数=3.3，并施加定常风和定常流，其他参数见.。根据表1中的锚泊系统参数，使用AQWA中的Nonlinear Catenary模型建立锚泊系统。针对“长大海升”号航行锚抗风就位的工况，选择平行锚泊方式在工作海域就位抗风。一般情况下，由于锚链较长，为了防止船舶转动造成锚链的碰撞磨损，仅使用一只航行锚进行锚泊定位，即单点平行锚泊。分别对改造前后的两种锚泊方式进行建模，时域模型见图5。

图5 计算模型

4 锚泊系统校核分析

采用间接时域耦合方法对锚泊系统进行仿真计算，起重船使用平行锚泊方式时会随风漂移，因此重点关注锚泊系统的受力。

4.1 锚泊方式分析

对临时抛锚抗风工况下的“长大海升”号设定要求的最大环境条件，波浪周期为12 s。计算航行锚系统在不同锚泊方式下的锚链张力和海底卧链长度，部分时间序列结果见图6和图7。

图6 两点平行锚泊系统时域响应曲线

图7 单点平行锚泊系统时域响应曲线

可以看出：改造前后锚链张力的随时间变化趋势是一样的，但是张力大小并没有太大差别，而改造后的卧链长度明显大于改造前的值，这是由于改造后锚链的直径、锚链质量和锚链长度的增大。

图7结果表明在单点平行锚泊方式下，改造前锚链张力极值要略微大于改造后的，改造后的卧链长度大于改造前的。

对锚泊系统进行校核时，锚链张力最大值和卧链长度最小值是主要参数，对每次计算得到的这2个参数进行统计得到表3，根据上文提到的校核方法进行校核。

表3 不同工况下响应统计

从表3中可以得出，改造前后锚链张力计算值都小于许用值，改造前的单点平行锚泊的锚链张力更接近许用值；改造前锚受到的最大水平力大于锚泊系统提供的系留力许用值，不安全；而改造后的两种锚泊方式下锚受到的水平力都小于锚系留力许用值，是安全的。可见改造后的锚泊系统在给定的海洋环境下，12 s的波浪周期中可以安全抛锚定位。而改造后明显比改造前的卧链长度大的原因很可能是由于改造后锚链长度增大了110 m。

4.2 参数敏感性分析

探讨风级和波浪周期对起重船锚泊系统的影响规律，选取海况见表2，其他参数和上文相同，计算各海况下的锚链张力和海底卧链长度，并对每种海况下起重船的锚泊能力进行安全性校核。

对不同海况下锚泊起重船进行时域计算，得到锚链张力最大值和卧链长度最小值，根据不同的风级和波浪周期绘制图8。

图8 不同环境下锚链张力和卧链长度极值统计

从图8中看出风级相同时，波浪周期越大，锚链张力越大，卧链长度越小。当波浪周期相同时，风级越大，锚链张力越大，伴随着卧链长度减小。可以看出，单点平行锚泊方式下，锚泊系统的锚链张力和卧链长度与波浪周期以及风级密切相关。

前文得知单点水平锚泊方式的锚链张力许用值为3 090 kN，由图8可知锚链张力满足安全要求。随后进行锚系留力安全校核，锚受到的最大水平力以及锚系留力的许用值见表4。

表4 响应极值统计与校核表 kN

通过校核可知，随着海况降低，锚受到的最大水平力有减小的趋势，同时锚泊系统提供的系留力有增大的趋势，在所考虑的海洋环境中都可以安全抛锚定位。

5 结论

1)在同时校核锚链张力和锚泊系统系留力的前提下，航行锚改造前起重船无法在给定海洋环境下安全抛锚定位，而改造后的起重船使用两点平行锚泊或单点平行锚泊方式都可以安全抛锚定位。

2)根据实际施工经验，在给定的环境条件甚至更低的海况下，建议使用单点平行锚泊方式。

3)在本文所考虑的环境条件下，锚链张力随着风级或波浪周期的增大而增大，卧链长度则会减小，安全性会降低。

限于使用工具以及高效计算，没有对改造方案中所有设备进行模拟，结论的精确性有待进一步探讨；另外，基于控制变量法的锚泊系统参数优化设计和更大范围海况和水深中起重船最大抗风定位能力有待进一步分析。