自升式风电安装平台舾装数计算探讨

程世明 刘璧钺

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

中国海上风电技术飞速发展，市场发展潜力巨大，目前沿海地区正大力开发海上风电项目。海上风电场建设投资规模巨大，为提高风场总发电量，降低海上风电成本，大型风机的研发和应用日益广泛。我国海上风电安装施工能力在不断地提升，其中风电安装平台的发展是推动海上作业能力不断加强的核心动力之一。[1]

自升式安装平台是目前使用最广泛的风电安装平台。根据船级社入级规范，自航式安装平台均需配置2套临时锚泊设备。在设计船舶和平台时，通常根据计算所得的舾装数直接选取临时锚设备，包括锚链和艏锚参数。对于常规钢质海船，一般以《钢质海船入级规范2023》中的舾装数计算公式为基础开展临时锚设备的设计[2]， 各船级社对于舾装数的计算要求一致且均来自于IACS UR A1标准，而对于海上移动平台，各船级社的舾装数计算公式不尽相同且计算结果相差较大。相关主管部门要求临时锚设备需要具有足够的安全系数，尤其在发生走锚、锚链断裂等严重事故后，临时锚设备系统的设计受到了业界和主管部门的高度重视[3]。随着大型风机的不断发展，风电安装平台的尺度越来越大，计算出的舾装数也越来越大，从而导致选取的临时锚设备尺寸非常大且重。一方面，临时锚设备过大且过重，会导致船上布置困难，并影响船体结构；另一方面，太重的临时锚设备会影响自升式安装平台的升降性能，降低其作业能力。

综上所述，在设计自升式风电安装平台的临时锚设备时，需要同时兼顾经济性和安全性：既不能为了降低成本而牺牲安全性，选择过小的舾装数计算方法；也不能为了追求安全性而人为增大舾装数，影响船舶性能。

目前，鲜有学者深入研究各船级社颁布的自升式风电安装平台的舾装数计算方法，因此有必要通过对比研究各船级社的舾装数计算结果，分析出合理的临时锚设备配置。本文以中国船舶及海洋工程设计研究院（后文简称“本院”）设计的1 500 t自升自航式风电安装平台为例，探讨合理的舾装数计算方法。首先按照中国船级社（CCS）、美国船级社（ABS）和挪威船级社（DNV）这三大船级社的方法分别计算舾装数，依据计算结果选取临时锚设备参数并进行比较，分析CCS《海上移动平台入级规范2023》中的舾装数计算公式是否合理；然后通过直接计算法计算出该船受到的环境载荷，根据选定的锚链直径算出其破断负荷，将环境载荷与锚链破断负荷进行对比,分析建议在计算受风面积时怎样合理地选取构件形状系数，提出更为合理的舾装数计算方法，为后续的自升式风电安装平台的临时锚设备设计提供参考。

1 本船概述

1.1 船舶主尺度和外形图

本文研究的1 500 t自升式风电安装平台主要由船体、桁架式桩腿、齿轮齿条式升降系统等组成，采用流线型艏部、方型艉部，全焊接钢质船体。其具有一层连续甲板，艏部设生活楼，中部为通畅作业甲板，艉部右舷设1 500 t绕桩式全回转起重机。该1 500 t自升式风电安装平台主尺度参数见表1，外形如图1所示。

图1 1 500 t自升式风电安装平台侧视图

表1 1 500 t风电安装平台主尺度参数

下文将分别按照三大船级社（CCS、ABS、DNV）海上移动平台的相关规定，进行舾装数计算。

2 按三大船级社相关规定计算舾装数

2.1 按CCS规范计算

按CCS《海上移动平台入级规范2023》，舾装数计算公式见式（1）：

式中：N为舾装数，个；Δ为平台迁移吃水时型排水量，t；A1为锚泊时所有受风表面在与风向垂直平面内的投影面积，m2；A2为锚泊时所有受风表面在与风向平行平面内的投影面积，m2。

A1、A2的计算中一般不考虑结构间的遮蔽效应，然而根据具体情况，下风向构件的投影面积可予以适当折减。对于圆柱形构件可按其投影面积的50%计算，货物的迎风面积可忽略不计。[4]

2.2 按ABS规范计算

按ABS《Rules for Building and Classing Mobile Offshore Units 2023》，舾装数计算公式见式（2）：

式中：k=1.0，m=2，n=0.1；h为平台船体或旁通的数量；Δ为平台迁移吃水时型排水量，t；∑qCsChAf为平台航行吃水时艏向总受风面积，m2；q=1.0，对于船体、上层建筑和甲板室；q=0.3，对于其他受风面积；Cs为形状系数，如表2所示；Ch为高度系数，如表3所示；∑qCsChAp为平台航行吃水时侧向总受风面积，m2；Af为暴露在风中的每个主要构件的正投影面积，Ap为暴露在风中的每个主要元件的侧投影面积，单位均为m2，包括立柱、上部结构、甲板构件、上部结构和甲板室、桁架、大型起重机、井架下部结构和钻井井架，以及运输水线以上的船体部分，按照不同平台类型适用，可考虑采用可接受的方法进行防风。[5]

表2 风力形状系数

表3 风力高度系数

在计算受风面积时，ABS的规定较为细致，除了上述形状系数，还应考虑以下条件：

（1）任何宽度不超过0.25B（其中B为该平台型宽）的上层建筑或甲板室可被排除在外，前提是其投影面积小于该平台总投影面积的1/100。

（2） 高度超过1.5 m的挡板和舷墙应包括在内。

（3）对于带立柱的平台，应包括所有立柱的投影面积（即不考虑遮蔽）；然而对于圆柱的表面，可以使用0.5的形状系数。

（4）通常用于井架塔架、吊杆和某些类型桅杆的开放式桁架，可通过取前后两侧满实投影面积的30%来近似（即对于双面桁架结构，一侧满实投影面积的60%），形状系数应按照表2选取。

2.3 按DNV规范计算

按《DNV-OS-E301-2023》，舾装数计算公式见式（3）：

式中：Δ为平台迁移吃水时型排水量，t；A为在正浮状态下，平台轻载航行吃水上方所有暴露表面的投影面积，m2。在考虑锚泊系统的布置时，应采用相对最不利的受风方向。[6]

斜向受风面积可通过式（4）来计算[7]：

式中：φ为风的方向相对于船首方向的角度，°；A1和A2的定义同式（1）。

本平台斜向受风面积计算过程如下页表4所示。

表4 本平台斜向受风面积计算过程

从表4结果可知，斜向45°时的受风面积最大。通过上述计算过程，虽然DNV公式仅有2项，其中第2项为受风面积，由于采用了相对最不利的受风方向，使用式（4）计算斜向受风面积，因此第2项可以分解为首向受风面积和侧向受风面积之和，两者系数均为0.67。

上述正投影和侧投影面积的系数取决于A1和A2的比例大小，通过分析式（4）和表4中的最不利风向计算过程，当1＜A2/A1＜1.42时，45°为最不利风向；当1.42＜A2/A1＜3时，60°为最不利风向；当3＜A2/A1＜4.33时，75°为最不利风向。

由于自升式风电安装平台的船长也显著大于船宽，主、辅起重机在航行时沿船长方向搁置，因此其侧投影面积通常大于正投影面积，即A2/A1＞1；又由于甲板上各构件均计算正投影面积和侧投影面积，且一般不考虑遮蔽效应，这也决定了其侧投影面积与正投影面积的比值不会太大，通常在1.00 ～1.42。本文统计了本院设计的其他船型相似但尺度不同的自升式风电安装平台主尺度及A1和A2的大小值，结果如表5所示。

表5 多艘自升式风电安装平台主尺度及A1和A2值

根据表5的统计数据可知，目前多数自升式风电安装平台的A2/A1比值在1.00 ～ 1.42，因此其最不利风向为45°，即舾装数计算时，正投影和侧投影的系数均为0.67。

2.4 三大船级社计算结果和对比分析

本平台正向投影面积为3 060 m2，侧向投影面积为4 001 m2。依据CCS、ABS和DNV规范计算的本平台舾装数和临时锚设备规格如表6所示。

表6 本平台舾装数和临时锚设备规格对比表

CCS规范计算得出的舾装数最大，配置的临时锚设备规格也最大；ABS的计算结果最小；DNV的计算结果则介于二者之间，且DNV结果与ABS结果接近。从表6可以看出，CCS舾装数公式计算结果显著大于ABS和DNV舾装数公式计算结果。

船级社在对自升式风电安装平台进行入级审图时，均参照各自的海上移动平台入级规范。虽然CCS、ABS和DNV三大船级社给出的舾装数计算公式形式差异很大，但是三者均依据排水量和受风面积这2个变量，其中受风面积分为首向受风面积和侧向受风面积。由于船舶在使用1只艏锚时存在风标效应，平衡状态下船舶首向与风向成1条直线、方向相反，因此船舶受到的风力主要为首向力。通过仔细观察能够发现，对于单船体的自升式平台，3个公式中的第1项完全相同，均为Δ2/3。CCS公式的第2项为正投影面积乘以系数2，ABS为正投影面积乘以系数2∑qCsCh，DNV为正投影面积乘以系数0.67（对于本文相似自升式风电安装平台）；CCS公式的第3项为侧投影面积乘以系数0.1，ABS为侧投影面积乘以系数0.1∑qCsCh，DNV为侧投影面积乘以系数0.67。

3 直接计算法校核临时锚设备安全系数

本节采用经验公式计算平台在规范建议的环境条件下所受的风、浪载荷，然后将本平台所受环境力与锚链的破断负荷进行对比可以近似得出锚链的安全系数。

3.1 风载荷计算

风的特征由风向和风速表示。风作用在船舶水上部分的力通常包括3个分量，即纵向力、横向力和绕垂向轴的首摇力矩。确定风载荷最精确可靠的方法是在风洞中进行模型试验，在没有风洞试验资料的情况下，对首向和侧向风载荷的计算一般采用如下经验公式[7]：

式中：Cs为受风构件的形状系数，可根据构件形状由表2选取；Ch为受风构件的高度系数，可根据构件高度由表3选取；S为受风构件的正投影面积，m2；P为风压，kPa；Vw为设计风速，m/s。

斜向的风力Fφ可通过分别计算首向和侧向风力，然后按下式合成：

式中：Fφ为斜向风力 ，N；Fx为首向风力，N；Fy为侧向风力，N；φ为风的方向相对于船首方向的角度，°。

3.2 流载荷计算

海洋中的流主要包括海流和潮流等。相对于波浪水质点在短时范围内不断重复其周期性变化，海流和潮流的速度随时间缓慢变化。为简化起见，在实际工程中常将海流和潮流视为稳定流动，对平台的作用力仅是拖曳力。流载荷根据船体水下部分的形状和面积，自升自航式风电安装平台的流载荷计算经验公式[7]如下：

式中：Fcx为首向海流力，N；Ccx为首向海流力系数，为2.89 N2/m4；S为平台包括附属体在内的湿表面积，m2；Vc为设计流速，m/s。

3.3 船舶合力计算结果

IACS UR A1标准中说明根据舾装数确定的临时锚设备是针对因等待靠泊、潮水等而暂时抛锚于港口或遮蔽海域的船舶，并不适用于在风暴天气下使船舶与毫无遮蔽的海岸保持距离，或使移动或漂动中的船舶停下。舾装数计算公式基于假定的2.5 m/s最大水流速度以及25 m/s最大风速。对于船长135 m以上的船舶，所要求的临时锚设备可认为适用于1.54 m/s最大水流速度、11 m/s最大风速为、2 m最大有义波高的环境。[9]

本船水线间长为136 m，虽然船长大于135 m，但是接近135 m分界线。从安全的角度出发，本文仍然计算最大水流速度为2.5 m/s、最大风速为25 m/s环境条件下的受力。

通常1艘船舶只使用1只艏锚，船舶围绕临时锚可以随风浪流作360°回转。在风标效应的作用下，锚泊船舶将会停泊在环境力最小的方向上，因此需要计算艏向（0°）时的环境力，且风力和流力同向时船舶受到的环境力最大。

经计算，风载荷为1 471 kN，流载荷为154 kN，合力为1 625 kN。在船舶合力已经确定的情况下，锚链张力的结果已基本确定。因此本文按照2.4节选定的锚链直径计算出各自的破断负荷，然后将其与本平台所受环境力对比，便可以近似得出锚链的安全系数，结果如表7所示。

表7 锚链安全系数计算结果

从表7可以看出，CCS、ABS和DNV规范选取的锚链安全系数都大于3，其中CCS的安全系数为5.7，远高于ABS和DNV规范要求，说明采用CCS规范计算舾装数时，存在较大的优化空间。

4 结论与建议

ABS规范详细规定了不同构件的形状系数和高度系数，而CCS和DNV均没有这样规定，只提出“设计者可以适当考虑形状系数”的原则性建议。本文对比分析了CCS、ABS和DNV这3个舾装数计算公式的异同。通过以上分析可知，受风面积变量前面的不同系数是导致计算结果不一致的主要原因。自升式风电安装平台的特点为高耸的桩腿和巨大的起重机，其受风面积大，因此不同的公式计算结果相差很大。

本文采用CCS、ABS和DNV公式计算了1 500 t自升自航式风电安装平台舾装数并配置临时锚，利用经验公式计算了相应环境条件下的载荷，然后将锚链破断负荷与平台所受环境力比较得到近似的安全系数。三大船级社要求的临时锚设备均满足使用要求，而CCS的配置规格余量过大，因此本文提出更为合理的舾装数计算方法：

（1）舾装数计算公式形式与CCS《海上移动平台入级规范》中的规定相同，仍然是以排水量、正向投影面积和侧向投影面积作为变量，修改第2项正投影面积的系数为1.5，第1项排水量和第3项侧投影面积的系数保持不变。

（2）在计算投影面积时，可以适当选取较小的构件形状系数：桁架式桩腿的形状系数取0.3，圆柱形桩腿以及起重机基柱筒体等形状系数取0.5，大起重机的桁架式吊臂形状系数取0.6或者更小，直升机平台圆管下支柱以其实际投影面积乘以形状系数0.5；对于辅起重机、杂物吊、雷达桅等较小的孤立构件，可以参照ABS规范的要求取总投影面积的0.3倍；适当地考虑相距较近的构件之间的遮蔽效应，对于被遮挡构件的投影面积进行折减；不考虑构件的高度系数。

通过上述方法可使所配置的临时锚设备既能够满足既定环境条件下的临时锚泊需求，又能减少设备所占的甲板面积，减轻空船质量，在安全性和经济性之间取得平衡。