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

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
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
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
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
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，求度，从而可得浮
— 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 ) +
+ 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
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。
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
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。
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。
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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。
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）
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
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
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
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
（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
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