铺管船铺管作业锚泊系统分析_曾骥_李陈峰_任慧龙_王文婷_汪蔷

E 795000 345°56'--165°56'
深圳西部公共航道 318°--138°
E 蛇7口9至00珠0海0高速客船推荐航线 336°40'--156°40' AC1
图 3 铺管船湿表面有限元模型
2.2 锚泊系统参数 铺管船锚泊系统使用钢芯钢丝绳，具体参数：重
量集度18.10kg/m；最小破断拉力356.78t；弹性模量 1.70×1011Pa；抗拉强度2160MPa。 2.3 路由与布锚方案介绍
考虑风浪流的联合作用，系泊系统时域耦合分析
的流程如图 1 所示。
波浪 流
浮体低频运动 浮体波频运动
静态/ 低频位移 波频运动
风
总动态位移
系泊系统有限 元动态模型
总动态 张力
图 1 系泊系统时域耦合模型
风载荷计算的公式，《CCS 海上平台入级与建造 规范》[5]中规定为：
F = ChCs Sw × 0.613×10−3Vw2
采用 AQWA 软件对浮体及其系泊系统在环境条 件下的总体响应分析之前，首先应在频域内应用势流
理论计算分析浮体在不同的规则波作用下所受的波浪
力和运动响应。时域分析时，在每一时间步，浮体的
位置、速度、加速度已经由上一步计算得到，与之相
关的力即可算出，求解运动方程，可得浮体的总体响
应及下一时间步的位置和速度、加速度，从而可得浮
+ Pj ) 2
2）Qi−j = 0
（6） （7）
基于以上近似条件的式子可以写为：
NSPL NSPL
Fsv (t) = ∑ ∑ ai ⋅ aj ⋅Pij ⋅ i=1 j =1
（8）
cos ⎡⎣−(wi − wj )t + (εi − ε j )⎤⎦
其中，wi、wj 为每一对波浪成分的频率；ai、aj 为波浪成分的幅值；εi、εj 为辐射相位角。 1.2 基于 AQWA 的系泊系统时域耦合分析流程
2 铺管船锚泊系统分析计算 2.1 铺管船基本参数
铺管船基本结构参数：总长123.78m；垂线间长
115.00m；型宽32.20m；型深6.50m；设计吃水4.00m； 排水量14539.30t。
— 25 —
船舶原理、船舶设计与船舶结构
从-10.5m过渡到-27m，既有航道水深变化大，又有路 由曲线变化，且此段存在较厚的流泥层，严重降低了 锚的拉力，同时封航施工也对航道船舶航行有较大影 响，铺设难度非常大，为确保101船舶的安全和管线准 确铺设至路由，铺设前进行了详细的锚位设计，如图 5~图7所示。
摘 要：针对海管铺设作业中铺管船的锚泊系统分析，基于三维势流理论，采用 ANSYS-AQWA 软 件，考虑风载荷、流载荷、波浪载荷等因素，建立了铺管船与锚泊系统时域耦合分析方法。在此基础上， 针对西气东输香港支线的海管铺设作业，根据作业海区的海况条件，分析了铺管船运动响应与锚泊系统 的载荷特性，完成了香港支线海管铺设作业的安全性评估，给出了不同海况下铺管船安全作业的包络曲 线。最后，根据评估报告与指导意见，顺利完成了香港支线的海管铺设作业。
NSPL
∑
j =1
⎧⎪⎨⎪⎩QQi−ji+jssinin⎡⎣⎡⎣−−
wi − wj wi + wj
t+ t+
εi −ε j εi +ε
j
⎤⎦⎤⎦+ ⎫⎪⎬⎪⎭
（4）
其中，Pij 为同相位的时域传递作用部分；Qij 为不 同相位的时域传递作用部分。当忽略了频域的结果后
可以得到：
{ } NSPL NSPL
Fsv (t) = ∑ ∑ Pij− cos ⎡⎣−(wi − wj )t + (εi − ε j )⎤⎦ + i=1 j =1
{ } NSPL NSPL
∑ ∑ Qi−j sin ⎡⎣−(wi − wj )t + (εi − ε j )⎤⎦
i =1 j =1
（5）
纽曼近似条件为：
1）Pij−
=
(Pi
西气东输二线香港支线是西气东输二线管道工程 项目中的一部分，香港支线起于大铲岛末站，经海底 敷设至香港龙鼓滩输气站。管线路由总长19594m，穿 越大铲水道、铜鼓航道及龙鼓航道，总体路由示意图 见图4。
铜鼓航道宽240m，设计路由为半径1500m的弧 线，是航道和弹性敷设结合处，沿路由方向管线埋深
星牛海砂开采
上的投影面积，m2。
二阶力[6]表达式为：
(( )) (( )) Fsv
(t)
=
NSPL
∑
i =1
NSPL
∑
j =1
⎧⎪ ⎨ ⎪⎩
Pij− cos ⎡⎣− Pij+ cos ⎡⎣−
wi − wj wi + wj
t+ t+
εi −ε j εi +ε
j
⎤⎦⎤⎦+ ⎭⎫⎪⎬⎪
+
( ) ( ) NSPL
∑
( ) ( ) i=1
本文采用水动力软件 ANSYS-AQWA，考虑风、 浪、流的联合作用，建立了锚泊系统时域耦合分析方 法。针对西气东输香港支线海管铺设过程中，不同锚 泊状态下的锚缆张力进行了时域分析，给出了不同海 况下的最大张力，对锚泊方案进行了安全性评估。最 后给出了铺管船安全作业的包络曲线，为海管的实际 铺设提供了参考。
妈湾港 排污管线
0 海星码头 1
2 3-1
3-2 3-3
4
5 6 6
北航道
货船锚地
SZ6
凯丰码头 深圳西部公共航道
妈湾码头
深圳市
小南山
蛇口
N 2490000
水产码头
塘口码头
Hale Waihona Puke Baidu
右炮台
9 10
43 2 1
5 6 7
8
11
12
赤湾
油库 华英码头
0
1 5
2
6
4
3
7
8
9
14 SC T1
13 10
12
11
— 24 —
曾骥等，铺管船铺管作业锚泊系统分析
锚泊系统动态响应的计算需要综合所有静态力，
慢漂力，波频力，风力，波频力等，流力其系泊系统
时域运动方程[4]如下：
t
[M s + Md ]x(t ) + Kx (t ) + ∫ h(t -τ )x(τ ) dτ
0
= Fsv (t ) + Fc (t ) + Fw (t ) + Ft (t ) +
针对锚泊系统的分析，刘应中[1]等基于准静态时 域方法提出了一种有效估算风、浪、流联合作用下油 轮运动和系泊缆索动力响应的方法。罗晓健[2]采用准 静力法求解船舶各个工况下的最大锚泊力。盛庆武[3]
基于 Ariane7 软件提出了一种计算锚泊张力的准动力 方法。上述方法在对锚泊系统进行分析时，只能给出 锚链的最大张力，无法给出张力的整个时历过程。
体总体响应、系泊线张力等的历史记录，对其结果进
行统计分析，并得到极值，计算流程如图 2 所示。
浮体基本参数
全局环境参数
不同频率和浪 向的单位波高 规则波
铺管船 频域分析
RAO 附加质量 附加阻尼
波浪力 流力 风力
铺管船与系泊缆索 时域耦合分析 系泊系统参数
动态位移 动态张力
锚链基本参数
锚链坐标
图 2 基于 AQWA 系泊系统时域耦合模型
（2）
式中，Vw 为设计风速，m/s；Sw 为平台在正浮或
倾斜状态时，受风构件的正投影面积，m2；Ch 为受风
构件的高度系数；Cs 为受风构件的形状系数。
海流载荷计算公式：
F
=
1 2
CD ρWVc2 Sc
（3）
式中，CD 为曳力系数；ρW 为海水密度，kNs2/m4；
Vc 为设计海流流速，m/s；Sc 为构件在与流速垂直平面
ZENG Ji1,2, LI Chen-feng1, REN Hui-long1, WANG Wen-ting1, WANG Qiang1
(1. College of Ship Building Engineering, Harbin Engineering University, Haerbin 150001; 2. Offshore Engineering Department, Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd, Shanghai 200137, China)
Abstract: In view of the analysis on the mooring system in the pipe-laying operation of pipe-laying vessel, based on three dimensional potential theory, a coupling method in time domain between pipe-laying ship and mooring system is established, using ANSYS-AQWA software and considering the factors such as wind, current and wave loads. Based on the method, the safety assessment of pipe-laying operation in the Hongkong branch of the west to east gas transmission is evaluated, and the motion responses and load characteristics of the pipe-laying operation system are analyzed, according to the sea condition of working area. The envelope curves of ship for safety operation in different sea conditions are obtained. Finally, the pipe-laying operation in Hongkong branch has been completed successfully under the assessment report and the guidance. Key words: pipe-laying vessel; S-lay; mooring scheme; safety assessment; coupled analysis; time domain
在铺设海底管道的过程中，铺管船受到风载荷、 流载荷、慢漂力和系泊力等复杂环境载荷的联合作用， 其作业的安全性成为工程人员重点关注的问题。香港 支线是西气东输二线管道工程项目中的一部分，该支 线起于深圳的大铲岛，通过铜鼓航道，经海底敷设至 香港龙鼓滩，因此需要铺管船进行铺管作业。由于铺 设线路较长，且铺设线路周围环载荷十分复杂，因此 需要对铺管船铺管作业的安全性进行评估，针对设计 的锚泊方案确定适用的海况等级。
Fh (t ) + Fd (t ) + Fwf (t )
（1）
式中，Ms 为结构质量；Md 为漂移频率中附加质 量；K 为水静力刚度；h(t)为加速度迭代积分矩阵；x(t)
为加速度；Fsv(t)为慢漂力；Fc(t)为流力；Fw(t)为风力； Ft(t)为锚链力；Fh(t)为水静力；Fd(t)为阻尼力；Fwf(t) 为波频力。
N 2490000 海砂开采
1838
KP7
KP8
AC2
KP4
KP3
1592 KP1 KP2
AR无C动1力船R锚2S地0Z030
KP0 下海点
老海关
LP DCI 大铲岛
浮坞
友联修船基地
KP5
AC3
KP6
AC4
SZ4
孖洲西危险品锚地 ARC2 R1500
SZ5
液货船锚地
交通码头 美视码头
亿升码头 月亮湾码头
SHIP ENGINEERING Vol.35 No.5 2013
船舶工程 总第 35 卷，2013 年第 5 期
铺管船铺管作业锚泊系统分析
曾 骥 1,2，李陈峰 1，任慧龙 1，王文婷 1，汪 蔷 1
（1．哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2．上海外高桥造船有限公司 海工设计所，上海 200137）
1 锚泊系统时域耦合分析方法 1.1 锚泊系统时域分析理论
收稿日期：2013-04-11；修回日期：2013-07-23 作者简介：曾骥（1976-），男，高级工程师，博士，主要从事船舶与海洋工程设计与建造技术研究。 通讯作者：李陈峰（1981-），男，讲师，博士，主要从事船舶与海洋工程环境载荷与结构强度研究。
关键词：铺管船；S 型铺管；锚泊方案；安全性分析；耦合分析；时域 中图分类号：U674.34 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2013) 05-0024-04
Analysis on Mooring System of Pipe-laying Vessel under Pip-laying