第２７卷第１期 ２０１２年Ｏ２月 中国海洋平台 ＣＨＩＮＡ ０ＦＦＳＨ０ＲＥ ＰＬＡＴＦ０ＲＭ ＶｏＩ．２７ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．。２０１２ 文章编号：１００１－４５００（２０１２）０１－０００８－０５ 浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究 罗晓健 （中国石油集团海洋工程有限公司，北京１００１７６） 摘要：浅水起重铺管船多为非自航锚泊定位船舶。锚泊定位系统是起重、铺管、自存的关键。合理的配 置和设计锚泊系统，不但能节约投资，提高船舶的作业效率，还能为船舶安全生产和风暴自存提供保障。本文 以某一浅水起重铺管船为例，参考各船级社规范并结合实际，对船舶的锚泊系统配置进行了分析研究。 关键词：环境条件；锚泊分析；锚泊配置 中图分类号：Ｐ７５２ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｏｏｒｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ Ｄｅｒｒｉｃｋ Ｌａｙ Ｂａｒｇｅ ＬＵＯ Ｘｉａｏ－ｊ ｉａｎ （Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １００ １ ７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｒｒｉｃｋ ｐｉｐｅ ｌａｙｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌｓ ａｒｅ ｄｕｍｂ ｂａｒｇｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｉｔ ｉｓ ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ｃｏｓｔ—ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｉｆ ｔｈｅ ｂａｒｇｅ ｉｓ ｏｕｔｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓ— ｔｅｒｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｌｉｆｔｉｎｇ，ｐｉｐｅ ｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｒｖｉｖａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｍｏｏｒｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｄｅｒｒｉｃｋ ｌａｙ ｂａｒｇｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｂｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｄｅｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；ｍｏｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｏｒｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ０ 引言 船舶在海上作业或停泊时，受风、浪、流的联合作用，将偏离其初始平衡位置。为了确保船舶自身和附近 其他海洋工程结构物的安全，船舶需要具备一定的海上定位能力，同时为了保证其连续作业，还应具有一定 的移动能力。锚泊系统可满足船舶的定位及移动需要，并保障船舶连续、安全作业和风暴自存。中油海１０１ 船为浅水起重铺管船，本文以此船为例重点从定位锚、钢丝绳、定位锚机等设备主要参数的选定进行探讨。 １ 船舶基本参数及功能介绍 中油海１０１船垂线间长１１５．００ ｍ；型宽３２．２０ ｍ；型深６．５０ ｍ；设计吃水４．００ ｍ；最小吃水２．３Ｏ ｍ。 船舶外观如图１所示，本船能够铺设４０ ｍ以内的水深，管线外径为０．１０２ ｍ～０．７６２ ｍ，主甲板右舷纵 向设有铺管作业线，船艉设有３９ ｍ托管架（分为两节）。在４０ ｍ水深铺设０．５０８ ｍ、壁厚１２．７ ｍｍ的单层 保温水泥配重管线时的作业速度约２．５ ｋｍ／天。船艉配置了一台起重能力４００ ｔ全回转海洋工程起重机。 船舶在运营过程中，必须具备抵抗风、浪、流等环境力作用的能力。船舶能够承受的环境力越大，其作 收稿日期：２０１１－０２—１７ 作者简介：罗晓健（１９８１一），男，硕士，工程师。 第１期 罗晓健 浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究 图１ 中油海１０１船 业效率就越高，风暴自存越安全，但建造成本较高。针对本船作业油田风浪的特点，确定下述作业条件： （１）起重作业：５级风（风速１Ｏ．７ ｍ／ｓ），有义波高１．０ ｍ，流速３．０ ｋｎ； （２）铺管作业：①待机工况：８级风（风速２Ｏ．７ ｍ／ｓ），有义波高２．０ ｍ，流速３．０ ｋｎ；②正常铺管作业：６ 级风（风速１３．８ ｍ／ｓ），有义波高１．５ ｍ，流速３．０ ｋｎ； （３）风暴自存时：分别对船舶作业油田５年及１Ｏ年重现期的环境条件进行计算。 ２ 确定最大锚泊力 根据经验并经过初步计算，此船采取８点锚泊定位，拟采用锚缆直径为＠６４钢芯钢丝绳，锚缆重量为 １７．１ ｋｇ／ｍ，钢丝绳弹性模量为０．６９×１０¨Ｐａ。 为了计算出最大锚泊力，本次锚泊分析假定风、浪、流来自同一方向，方向角分别为０。、３０。、６０。、９０。、 １２０。、１５０。和１８０。，采用准静力法求解船舶各种工况下的最大锚泊力。准静力分析法适用于浅水，船舶在静 态环境力作用下发生偏移并达到平衡位置，即平均平衡位置。由于波浪的作用，船舶围绕平均平衡位置作一 阶波浪运动和低频运动，当船舶达到最大偏移时，锚缆受力达到最大值，由此求得锚缆的最大张力。根据船 舶最大偏移计算各根锚缆的最大泊距，查照锚缆的静特性曲线，求得锚泊系统中各根锚缆上的张力。从锚缆 对船舶的作用而言，每根锚缆可看作是连接在船舶导缆孔上的一根非线性弹簧，船舶可看作集中质量，整个 锚泊系统的计算模型可看作由若干按一定方向布置的非线性弹簧支持的运动体系。作用在系泊船上的外载 荷包括风力、流力、波浪力等，铺管作业时还应包括铺管恒张力，并应考虑托管架的影响。波浪力包括以波频 振荡的一阶力、以低于波浪频率振荡的低频二阶力、二阶平均波浪漂移力。风力、流力和二阶波浪漂移力属 于静态环境力。船舶所受的风力、流力可根据国际石油公司组织（ＯＣＩＭＦ）Ｌ１］关于超大型油船的风载和流载 计算方法进行计算，波浪力需用根据流体动力分析理论，采用合适的计算机软件进行计算。根据船舶受力， 可计算出各种荷载下船舶位移，最大偏移是指平均偏移加上经适当组合的船舶波频和低频运动幅值。为了 保证能有效安全地进行铺管及起重作业，本船允许的最大偏移取１２ 的水深，平均偏移取６ ９／６的水深。最大 偏移应按公式（１）、（２）确定。 Ｓ ≥Ｓ ｒｍａ 时，Ｓ 一Ｓ 。 ＋Ｓｚｒ ＋Ｓ （１） （２） Ｓ ， 。 ≥Ｓ ａｘ时，Ｓ ＝Ｓ一 ＋Ｓ ｒ ＋Ｓ￡协 式中：Ｓ～ 为船舶平均偏移；ｓ～为船舶最大偏移；ｓ 大低频运动；Ｓ 为有义低频运动。 为最大波频运动；ｓ 为有义波频运动；Ｓ 为最 考虑到船舶在最大、最小水深时产生的锚泊力可能最大，计算时取５ ｍ、４０ ｍ两个水深。根据中国船级 社海上移动平台入级与建造规范［２ 规定，对船舶作业与船舶自存应分别考虑完整与破损两种计算工况。为 了得到铺管时最大锚缆张力，应对铺管过程进行模拟。本文把铺管作业分成４步，管道铺设前，８个锚左右 中国海洋平台 第２７卷第１期 对称布置。每一步向前移船２００ ｍ，同时也完成左右二个锚的起锚和抛锚过程。由于在模拟每步过程中，钢 丝绳的长度、方向角发生变化，因此在移船６００ ｍ后所有的锚应完成起、抛一遍的过程。 锚缆的编号及船舶坐标系如图２所示，坐标采用右手直角坐标系，原点在船中心，Ｘ轴正向指向船艏，ｙ 轴正向指向左舷，波向角 为风、浪、流的传播方向与 轴正向夹角。抛起锚过程如图３所示，由第一步至第 四步循环执行。 由于本船在起重作业时布锚方式类似 于铺管待机工况，其环境条件要远低于铺管 待机环境条件，因此此时船所受的环境力也 较低，相应的锚缆张力也较小，本次计算不 对起重工况进行单独计算。表１～表３列出 了船舶铺管作业工况下各锚缆最大张力。 风暴自存采用两种布锚方案，一种为布 ８个锚方案，在波向角为９０。时，环境力最大， 所产生的锚缆张力也就越大。经计算此种 布锚方式下，完整风暴自存时锚缆最大张力 为１１８．７４ ｔ，破损风暴自存时锚缆张力为 １７２．７８ ｔ。另一种为布单个锚方案，利用系 泊船只的风向标效应，使船舶总是处于环境 力最小的方位上。此种布锚方式可大大提 图２锚缆编号及船舶坐标系 高船舶风暴自存的环境条件，但此种布锚方 式安全可靠性低，且锚泊系统应经过特殊设 计，导向轮及锚头转环能自由转动，并能防 止锚绳磨损，所以此布锚方式应谨慎采用。 经计算布单锚，在船舶作业油田区域１Ｏ年 （１）移１、８锚 重现期的环境条件下的最大锚缆张力仅为 １２６．８９ ｔ （２）移４、５锚 （３）移３、６锚 （４）移２、７锚 图３抛起锚过程 表１待机工况最大锚缆张力 锚缆号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ 单位：（ｔ） ８ 锚缆号 浅海铺管最大锚缆张力 １ ６９．３３ ２ ４６．７７ ３ ２７．８６ ２３．９１ ２９．６３ ６８．５２ ６８．９２ ８１．４６ 深海铺管最大锚缆张力 铺管作业最大锚缆张力 ７２．２５ ７２．２５ ４５．７６ ４６．７７ ２６．４８ ２７．８６ ２Ｏ．２５ ２３．９１ ２４．１ｌ ２９．６３ ６１．７６ ６８．５２ ６２．１８ ６８．９２ ７８．５３ ８１．４６ 浅海铺管破损最大锚缆张力 ８３．６４ ５ｌＩ ４８ 深海铺管破损最大锚缆张力 ８９．５１ 铺管破损工况最大锚缆张力 ８９．５１ ４４．９２ ４４．９２ 第１期 罗晓健浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究 ３ 锚泊设备配置与选型 ３．１锚缆的选取 船舶作业与自存时锚缆应具有足够的舷外长度，以使系泊系统达到最大偏移时锚缆仍有一段与海底相 切。经过锚泊分析计算，本船锚缆最小舷外长度取７００ Ｉｎ较为合适；完成整个起、抛锚过程需要移船约 ６００ ｍ；船舶标准规定锚机卷筒应预留３圈锚绳［２］，锚机厂商一般建议锚机卷筒应预留５圈锚绳；考虑到船 舶日后作业区域可伸展到更深的水域，特殊情况下起抛锚可能会有一定的延误，最小舷外长度有一定的富裕 长度，为了保证移船速度锚缆长度适当加长３００ Ｉｎ，则本船锚缆长度至少为１ ６００ ｍ。各规范对锚缆的安全 系数规定各不相同，经过对国内外船舶及移动平台的相关规范和标准比较，ＣＣＳ移动平台入级与建造规范 给定的锚缆安全系数可应用到此船，此船风暴自存时不考虑平台邻近有其他结构物。各工况所需的最小锚 缆破断强度及ＣＣＳ安全系数衡准值如表４所示。从表４结果可知，锚缆的最小破断拉力为２５８．９９ ｔ，本船 可选用ｌ ６００ ｍ，０６４的６股钢芯钢丝绳，钢丝绳的最小破断力为２６３ ｔ。 表４各工况所需的最小锚缆破断强度 ３．２大抓力锚的选取 ＡＰＩ推荐作法Ｌ４］规定若采用准静力法进行锚泊分析，在临时性系泊系统中的锚抓力系数可取１．０。船 舶锚缆有破断的可能，应考虑完整与破损两种工况，所以锚的抓力要大于１７２．７８ ｔ，此时属于破损自存状态。 海洋工程上常用的ＳＴ大抓力锚的抓力系数可达３３￣５５。本船选用６ ｔ的ＳＴ大抓力锚。ＳＴ锚的锚杆与锚 爪角度可调，根据不同海床土质条件调整锚杆与锚爪之间的角度，以适应不同土质的海底、达到最佳使用效 果和抓重比。一般情况下，锚在淤泥中的极限抓持力最小，在极限抓持力时锚的人土距离与人土深度也较 大。根据厂家提供的计算公式可知： 、 ＳＴ锚在淤泥中的极限抓持力 ＵＨＣ—Ａ×Ｗ ＝＝＝２０８ ｔ （３） 入土深度Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ＝（Ｆ／ＵＨＣ）×Ａｐ×Ｗ ｎ一１３ １ＴＩ （４） 入土距离 Ｄｒａｇ一（Ｆ／ＵＨＣ）。×Ａｄ×Ｗ 。 ＝＝＝６５ ｍ （５） 淤泥中：Ａ＝＝＝４０，Ａｐ一７．５； 一３７．５；Ｆ为锚缆张力，此时取１７２．７８；Ｗ为锚的重量，单位为吨。 从式（３）的计算结果可知ＳＴ锚在淤泥中的极限抓持力为２０８ ｔ，满足此船定位需要。同时由式（４）、式 （５）可知定位锚在淤泥中达到极限抓力之前将产生较大的位移。了解定位锚在各种地质中特性，有利于船舶 作业时的定位与移动，并有效防止走锚情况的发生。 ３．３定位锚机主要参数的确定 为了保证２．５ ｋｍ／天的铺管速度，铺设一根１２．１９２ Ｉｎ管线时间应不大于７ ｍｉｎ，其中焊接与探伤时间为 ５ ｒａｉｎ，平均移船速度则应大于１２．１９２ ｍ／２ ｍｉｎ。实际控船速度应是：启动一加速一匀速一减速一停止的一 个过程，在这个过程中，最大移船速度应保证１０ ｍ／ｍｉｎ以上。船舶移动示意图见图４，假设０１点为船舶初 始位置，Ａ为锚点。若船舶由位置０１点移动到０２点，移动距离为０１ ０２，由图４可知移动距离０１ ｏ２大于ＡＯ 与ＡＯ。的差值。由此可知实际铺管过程中收缆的速度略低于移船速度，在最大负载时锚机的最低收缆速度 可取为１０ ｍ／ｍｉｎ。 由表４可知，船舶在铺管过程中的最大拉力为１０４．１６ ｔ，在整个铺管过程中锚机的最小工作拉力都要 达到此要求。由于各厂家的锚机型号与尺寸各不相同，以图５尺寸的锚机为例，锚缆舷外长度为７００ １ＴＩ，经 中国海洋平台 第２７卷第１期 计算剩余钢丝绳长度９００ ｍ位于锚机卷筒钢丝绳的第７ 层，因此钢丝绳在第７层时锚机的最小工作拉力应不小于 １０４．１６ ｔ。因锚机所能承受的最大力矩基本保持不变，计 算可知锚机在卷简最内层时的工作拉力最小为１７７．７ ｔ， 最外层的工作拉力最小为８ｌ＿７ ｔ。 各船级社对锚机静态刹车规定各不相同，挪威ＤＮＶ 规范规定Ｌ５ 如果不安装止链器，系泊绞车须具有承受（大 小等于）缆绳最小破断强度的静拉力的能力，高应力部位 没有永久性变形，绞车刹车不打滑。中国ＣＣＳ规范规 图４船舶移动示意图 定Ｌ２］每一起锚机应设有两套的动力操作制动系统， 每套制动系统应能承受至少为５０ 锚链断裂强度相当 的静载荷，其中一套制动系统可由手动操纵制动器代替。 英国劳氏规范要求［６］锚绞车的主刹车具有承受（大小等 于）绞车滚筒外层缆绳最小破断强度的刹车能力。ＤＮＶ， ＣＣＳ等规范没有明确刹车力为内、外层刹车，而国内锚机 厂商的通常做法是锚绞车滚筒内层刹车力等于锚缆破断 强度，这样并不能满足本船的使用要求。劳氏规范则明 确指出锚绞车主刹车应能承受滚筒外层缆绳最小破断强 度。风暴自存锚缆张力及锚缆破断力是控制锚机刹车的 主要因素，考虑到此船的特殊性并综合各船级社规范，本 船定位锚绞车设置两个刹车，带式刹车在滚筒内层的刹车 力为３３０ ｔ，碟式刹车力为２７０ ｔ。 图５定位锚绞车 ４ 结语 （１）锚泊设计需要经过多次试算完成，锚泊设备选型应以最终计算结果为依据。 （２）各国规范对特殊用途的工程船锚泊定位系统的规定较少，在参照规范的基础上借鉴其他类似船舶 的经验并结合船舶操作可能遇到的实际情况进行锚泊分析与设备选型。 （３）在同等环境条件下，为使船舶位移及锚缆受力与理论计算相符，锚绳的弹性模量及单位重量应尽量 与假定相符。 （４）锚泊设备厂商的产品型号可能与初步锚泊计算时的假定型号略有不同，在完成设备选型后，应重新 对锚泊系统进行校核。 （５）本文只给出了定位锚泊设备的主要参数，更为详细的锚泊配置还应参照规范及船舶使用要求。 参考文献 Ｅ１］ＯＣＩＭＦ．Ｍｏｏｒｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ［Ｓ］．１９９２． ［２］ 中国船级社．海上移动平台人级与建造规范Ｅｓ］．北京：人民交通出版社，２００５． ［３］ 中华人民共和国船舶行业标准．海上移动式平台用锚泊定位装置ＣＢ／Ｔ３６６３—９４［Ｓ］．１９９４． Ｅ４］ＡＰＩ ＲＰ ２ＳＫ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔａｔｉｏｎｋｅｅｐｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｃ］．Ａ— ｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９６． Ｅｓ］ ＯＦＦＳＨＯＲＥ ＳＴＡＮＤＡＲＤ．ＤＮＶ—ＯＳ—Ｅ３０１（（ＰＯＳＩＴＩＯＮ Ｍ００ＲＩＮＧ》［Ｓ］．２００４． ［６］ＬＲ．Ｒｕｌｅｓ ａｎｄ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ｛ｏｒ ｔｈｅ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ ａｔ ａ Ｆｉｘｅｄ Ｌｏｃａｔｉｏｎ［Ｓ］．１９９９．
