海洋辅助钻井船锚泊系统计算分析

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摘 要：本文对某海洋工程辅助钻井船锚泊系统进行了研究。基于三维势流理论，用水动力软件AQWA，考虑风载荷、流载荷、波浪载荷等的作用，对海洋辅助钻井船和锚泊系统进行了耦合分析，在10年回复周期的环境条件下，对锚泊系统进行了锚泊力计算及规范校核，并给出了锚泊系统的在特定环境条件下的最大工作水深。

关键词： 锚泊系统；三维势流理论；系缆张力；水动力

中图分类号：U674.38+2 文文献标识码：A

Abstract： Based on three dimensional potential flow theory， this paper analyzes the mooring system of tender assist drilling vessel （TADV） under the action of wind， current and wave force with the hydrodynamic software AQWA. According to the analysis， this paper concludes the appropriate working conditions for TADV which is satisfied with relevant technical standard.

Keywords： Mooring system； Potential flow theory；Cable tension； Hydrodynamic

1 引言

海洋石油钻井平台、海洋工程辅助钻井船等大型浮体在海洋环境（风、浪、流）作用下的锚泊定位问题一直是工程和理论界研究和需要解决的热点问题。

针对锚泊系统的分析，刘应中等[1]基于准静态时域方法，提出了一种在风、浪、流联合作用下计算油船运动和系泊缆索动力响应的方法；罗晓健[2]采用准静力法求解船舶在几种工况下的最大锚泊力；盛庆武[3]基于软件Ariane7提出了一种准动力方法用于计算锚泊张力；Kim， M H[4]等分别采用准静态、半耦合和全耦合分析方法计算分析了作业水深为3 000 ft的TLP平台，结果表明全耦和分析得到的运动幅值要小于准静态或半耦合分析计算结果；Chen X H[5]等研究了浮体与立管/系泊系统的动态耦合相互作用的重要性，分别采用耦合分析方法和准静态分析方法对一个mini-TLP进行了数值计算，并与实验结果进行了对比。

本文基于软件AQWA，对某海洋工程辅助钻井船在真实海洋环境中的锚泊线张力进行规范校核计算，给出了钻井船在相关海域的工作条件要求。

2 原理与方法

2.1 锚泊系统所受载荷

锚泊系统分析，船舶需要考虑波浪力、流力和风力的作用。波浪力包括波频力、二阶波浪力。二阶波浪力又可以分为二阶平均波浪漂移力、和频力和差频力。差频力又称低频二阶波浪力，由于其频率低，可能与锚泊系统产生共振，引起较大纵荡和横荡，所以需要考虑差频力的影响，而和频力幅值较小，故在锚泊计算中通常被忽略。

2.1.1 波频力的计算[7]

附加质量和阻尼载荷是由于结构物做强迫谐振动所引起的稳态水动力及力矩。附加质量系数和阻尼系数是结构物形状、振动频率和前进速度的函数；此外，流场的深度和开阔度对附加质量系数和阻尼系数也有一定的影响。

2.1.2 二阶波浪力的计算

3 海工辅助钻井船锚泊系统计算分析实例

3.1 基本参数

1）船舶基本参数

船长110 m，型宽31 m，设计吃水6m，排水量16 500 t。

2）锚泊缆参数

锚泊系统缆绳所用的材料是钢丝，刚度EA为2 3000 kN，最小破断拉力为3 200 kN。

3）锚链布置方案

采用八锚索的布链形式，锚链角为30°和60°，锚索的伸出长度为1 450 m。

3.2 锚泊系统正常工作的要求

根据规范API规定，在特定海域，回复周期为10年的环境条件下，锚泊系统的锚泊缆张力必须满足安全系数的要求，即在锚泊线完整和一根锚泊线破断不完整两种状态下的安全系数分别为1.67和1.25。

在一般情况下，锚不能承受竖直向上的拉力，故锚泊线海底段（即锚泊线与海底接触的部分）长度不能为0。

3.3 计算结果

3.3.1 在水深100 m锚泊系统分析

根据规范要求，在回复周期为10年环境条件下（蒲氏风级B-8）对锚泊系统进行计算，包括两种状态：锚泊线完整的状态和一根锚泊线断裂的状态（假设完整状态下受到张力最大的锚泊线断裂）计算结果如下：

在锚泊线完整的情况下，N、NE、E环境方向的最大张力分别为97、145、156 t，安全系数分别为3.2、2.2、2.0，均大于规范的要求1.67；

在一根锚泊线断裂的情况下，N、NE、E环境方向的最大张力分别为135、235、155 t，安全系数分别为2.3、1.3、2.0，均大于1.25。而且锚泊线海底段长度均大于0，所以在水深100 m、回复周期为10年的情况下锚泊系泊是符合规范要求的。

3.3.2 在特定水深情况下锚泊系统所能承受的最大蒲氏风级分析

（1）在水深100 m、蒲风9级的情况下

根据计算结果，N、NE、E环境方向的最大张力分别为91、136、130 t，安全系数分别为3.5、2.3、2.4，均大于1.67，而且锚泊线海底段长度均大于0，所以锚泊系统在水深100 m、蒲风9级的情况下是满足规范要求的。

（2）在水深150 m、蒲风8级的情况下

根据计算结果，N、NE、E环境方向的最大张力分别为72、110、98 t，安全系数分别为4.4、2.9、3.2，均大于1.67，而且锚泊线海底段长度均大于0，所以锚泊系统在水深150 m、蒲风8级的情况下是满足规范要求的。

（3）在水深150 m、蒲风9级的情况下

根据计算结果，在N、NE、E环境方向的最大张力分别为85、129、123 t安全系数分别为3.7、2.5、2.6，均大于1.67，但是出现锚泊线海底段长度为0的情况，所以锚泊系统在水深150 m、蒲风9级的情况下是不安全的。

（4）在水深200 m、蒲风7级的情况下

根据计算结果，在N、NE、E环境方向的最大张力分别为59、78、78 t，安全系数分别为5.4、4.1、4.1，均大于1.67，而且锚泊线海底段长度均大于0，所以锚泊系统在水深200 m、蒲风7级的情况下是满足规范要求的。

（5）在水深200 m、蒲风8级的情况下

根据计算结果，在N、NE、E环境方向的最大张力分别为85、97、92 t，安全系数分别为3.7、3.2、3.5，均大于1.67，但是锚泊线海底段长度出现为0的情况，所以锚泊系统在水深200 m、蒲风8级的情况下是不安全的。

4 结论

（1）船舶的锚泊系统在水深100 m、蒲风9级或者回复周期为10年的各个方向的环境条件下，都满足规范API对系泊缆张力安全系数的要求，并且锚没有抬升；

（2）在水深150 m蒲风8级及以下的环境条件下是可以工作的；在水深200 m、蒲风7级及以下的环境条件下是可以正常工作的。

参考文献

[1] 刘应中.系泊系统动力分析的时域方法[J].上海交通大学学报， 1997，

31（11）.

[2] 罗晓健.浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究[J].中国海洋平台，

2012， 27（1）.

[3] 盛庆武. 3000t 铺管起重船铺管作业锚泊定位系统设计研究[J].船舶与

海洋工程， 2012（1）.

[4]KimMH，TaharA，KimYB. Variability of TLP motion analysis against various

design methodologies/parameters[C]. Stavanger， Norway： Proceedings of the

International Offshore and Polar Engineering Conferenee，2001.

[5] Chen X H， Ding Y，Zhang J，etal. Coupled dynamic analysis of a mini TLP：

Comparison with measurements[J]. OeeanEngineering. 2006，33（1）.

[6] Faltinsen O M. Sea Loads on ships and offshore structure. Cabridge University

Press.

[7] Newman JN. The drift force and moment on ships in waves[J]. Ship Research，

Vol 11，1.

[8] Newman JN. Second order，slowly varying forces on vessels in irregular

waves[J]. Proc Int

[9] OCIMF. Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs， Second Edition， Oil

Companies International Marine Forum[C].