大型非自航绞吸挖泥船锚泊设备设计

黄 超 何炎平 舒建华 陈鸣芳

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240； 2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240； 3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240； 4.中交上航局航道建设有限公司， 上海 200240)

0 引 言

非自航绞吸挖泥船往往需要在作业工地附近的锚地采用锚泊定位方式抗台风，在选取锚泊设备时不仅需考虑风、浪、流载荷的影响，还需充分考虑施工水域的水深、海底泥质等因素。对于绞吸挖泥船，设计者一般按照《钢质海船入级规范》计算舾装数，依据设计经验选取锚泊设备。

众多学者采用悬链线、弹性缆索或集中质量法等方法对单独锚链动力学进行广泛研究[1-3]。HALLIWELL等[4]采用模型试验研究环境和系泊系统参数的变化对系泊响应的影响；李晓燕等[5]研究7025型绞吸挖泥船在不同风况条件以及风、浪、流耦合作用下的水动力响应，科学评估挖泥船的系泊系统承载能力；王博等[6]介绍通过计算舾装数设计工程船舶的锚泊系统。本文在众多学者的研究基础上，针对某大型绞吸挖泥船的锚泊系统进行设计选型，采用舾装数计算法和准静力分析法分别选取锚泊设备参数并进行对比，为实际工程应用提供参考。

1 锚泊系统设计方法

1.1 舾装数计算方法

CCS《钢质海船入级规范》[7]规定了海船的锚泊及系泊设备的配置方法，以舾装数计算结果为依据，选取规范推荐的锚泊设备配置，舾装数N的计算公式为

N=Δ2/3+2Bh+A/10(1)

式中：Δ为夏季载重线下的型排水量；B为型宽；h为从夏季载重水线到最上层舱室顶部的有效高度，h=a+∑h1，a为从船中夏季载重水线至上甲板的距离，h1为各层宽度大于B/4的舱室在其中心线处量得的高度对最下层的层高，h1从上甲板中心线量起，或当具有不连续上甲板时从上甲板最低线及其平行于升高部分甲板的延伸线量起；A为船长L范围内夏季载重水线以上的船体部分和上层建筑以及各层宽度大于B/4的甲板室的侧投影面积的总和。

《钢质海船入级规范》指出，舾装数计算公式基于2.5 m/s的水流速度，25 m/s的风速(大约为10级风速)，出链长度与水深比为6～10。在更高的风力等级下，作用在锚泊设备上的载荷将由于形成高能量载荷而增大，并导致其部件的损坏或丢失[7]。

1.2 准静力分析法

参照《海洋平台入级规范》[8]对海洋平台系泊索的分析方法，对绞吸挖泥船系泊系统的整体分析也可采用用于海洋平台锚泊系统分析的准静力分析法，先静态偏移绞吸挖泥船，再在系泊缆的导缆孔处施加合适的波浪运动以考虑波浪动力载荷。在这种方法中，导缆孔的垂直运动以及与系泊索质量、阻尼、流体动力等有关的动力效应可以忽略。

准静力分析法的一般流程：按照公认的理论或者数值分析方法确定系泊系统的静刚度特性；将风力、流力作为静力考虑，根据系泊系统的静刚度特性确定绞吸挖泥船的平均偏移；计算平均偏移处的系泊刚度，确定绞吸挖泥船的波频运动，再确定绞吸挖泥船的最大偏移和系泊索的最大张力。

《海洋平台入级规范》给出了风力和流力估算方法。

通常只考虑作用在绞吸挖泥船上的定常风力，则风载荷可按下式估算：

(2)

式中：FW为所受风力；Ch为高度因数；Cs为形状因数；S为船体受风的正投影面积；VW为风速。

海流载荷是随机的，为便于计算，通常按照定常力考虑。对于船体形状为箱型的绞吸挖泥船，作用于船体上的流载荷可采用下式计算：

(3)

式中：FC为所受流载荷；CD为拖曳力因数，可取1.2；ρw为海水密度，取1.025 t/m3；VC为海流速度；A为吃水与船宽的乘积。

2 锚泊系统设计实例

2.1 绞吸挖泥船概况及面元模型

某大型绞吸挖泥船适用于沿海港口和码头开挖、航道疏浚等工程，最大挖深可达30 m。船体的总布置如图1所示，主尺度如表1所示。

图1 绞吸挖泥船总布置图

总长/m船体长度/m船宽/m型深/m吃水/m水深/m设计排水量/ t重心高度/ m104.882.618.25.23.7104 723.52.5

为简化建模和提高计算效率，仅构建水线面以下部分船体水动力模型用于计算水动力因数，模型网格划分如图2所示。网格以四边形网格为主，网格数量为1 218个，节点数量为1 342个。

图2 船体水线以下水动力模型

2.2 锚泊形式

非自航绞吸挖泥船大多采用单链系泊的定位方式，可按“无人驳船”配置锚泊设备，即艏锚可仅配1只，锚链长度为9节，锚链布置如图3所示。

图3 锚链布置

2.3 作业工况

在进行锚泊设计前，须确定绞吸挖泥船作业时的环境条件。绞吸挖泥船防台风水域水深为10 m，绞吸挖泥船的作业水域灾害性天气主要为台风天气，每年7 月～10 月常受台风影响。其中，以2016年14号“莫兰蒂”超强台风对该区域的影响最为严重，最大风力超过15级。

根据《国内航行海船法定检验技术规则》对船舶完整稳性的规定，结合风压与风速的关系，以距离海平面7 m高处的风速为标准，针对远海航区船舶设定的风压标准可以转化为14级风速标准[9-10]。由此选取3种绞吸挖泥船在防台风时遭遇的代表性风、浪、流条件，如表2所示。

表2 不同工况下系泊状态的环境条件

3 锚泊系统设计结果及分析

3.1 舾装数计算法结果

考虑到锚链的布置和船型特性对受风面积的影响，在纵向上计算船体的舾装数，最终舾装数计算值为836个。《钢质海船入级规范》对锚泊配置的要求如表3所示，并据此选取合适的锚泊配置。

表3 锚泊配置要求

非自航绞吸挖泥船几乎均配置1只艏锚，由于采用船尾方向拖航，该艏锚布置在船尾，锚链可按规范长度的一半配备。在满足规范的最低要求上予以增强锚及锚链，故尾部配1只3 540 kg短杆霍尔锚，并配247.5 m长的AM2Φ56 mm电焊有档锚链。

由于3 540 kg短杆霍尔锚在黏土中所能提供的锚抓力为173.64 kN，在石砾中最多能提供208.36 kN的锚抓力[11]，工况1所需的锚抓力为201.2 kN，故按照舾装数选取的锚泊配置最多只能抵抗该海域10级台风。

3.2 准静力分析法结果

波浪入射角为0°，船体幅值响应算子(Response Amplitude Operator, RAO)计算结果如图4和图5所示，垂荡和纵荡运动RAO随波浪频率的增大呈逐渐减小的趋势。

图4 垂荡运动RAO 图5 纵荡运动RAO

由式(2)和式(3)得作用于绞吸挖泥船的风载荷和流载荷结果，如表4所示。

表4 不同工况下绞吸挖泥船所受风流载荷

为保证绞吸挖泥船不发生走锚的现象，卧底锚链的摩擦力与锚抓力的合力需大于船体所受风流合力，绞吸挖泥船锚泊能力结果汇总如表5所示。

表5 锚泊能力需求

MIMOSA是SESAM软件下的一个模块，主要功能是进行带有锚泊系统的海洋结构物的静态和动态分析[12]，其可以采用准静力分析法计算绞吸挖泥船系泊索的最大张力。将船体运动RAO等文件导入MIMOSA，得到锚链最大波频张力，其与风流合力的组合构成了锚链最大张力。不同工况下绞吸挖泥船锚链的最大波频张力和最大张力如表6所示。

表6 不同工况下锚链最大波频张力和最大张力

3.3 锚泊系统配置分析

当台风来临时，绞吸挖泥船需在作业水域附近的安全锚地防台风。通过准静力分析法得到在工况2下绞吸挖泥船所需的锚抓力为897.76 kN，而3 540 kg短杆霍尔锚在黏土中所能提供的锚抓力远不能满足工况2的需求。另一个值得注意的问题是锚链强度，在工况3下，锚链最大张力达到了1 698 kN，而AM2Φ56 mm电焊有档锚链的破断负荷为1 710 kN，无法保证绞吸挖泥船的锚泊安全。

通过舾装数选取的锚泊配置可能在10级以上的台风环境条件下发生走锚、锚链强度不足等情况，为绞吸挖泥船的安全埋下极大隐患。为保障绞吸挖泥船在更高级别台风天气下的安全，需要提高锚和锚链的等级，在不更换锚机等设备的条件下，将尾部所配3 540 kg短杆霍尔锚更换为质量更大的锚，如5 t的Flipper Delta锚，其抓力性能与Stevin M3锚的性能类似，在中等黏土中约产生981 kN的抓力[11]，能够满足绞吸挖泥船在14级台风下所需的锚抓力。

在工况2下，锚链最大张力已经达到了AM2Φ56 mm电焊有档锚链破断载荷临界值，也必须将其更换为等级更高的锚链，如AM3等级破断载荷为2 430 kN、直径56 mm的锚链。更换后的锚链及锚可以满足该海域14级台风下的抗台需求。

4 结 论

(1) 绞吸挖泥船锚泊系统的选取大多采用《钢制海船入级规范》中计算舾装数的方法。对比准静力分析法和舾装数计算法的结果可知，采用舾装数选取的锚泊配置抗台风能力有限，仅可满足10级台风下的抗台风需求。在更高风级的情况下，需要更高等级的锚泊配置以保障绞吸挖泥船的安全。

(2) 通过舾装数选取的锚泊配置一般适用于10级台风下的绞吸挖泥船的锚泊定位，不能满足10级以上台风下的抗台需求，故需根据准静力分析法得到的锚链最大张力和锚抓力选取锚泊设备。

(3) 按照5 t Flipper Delta锚在非常软的黏土中大约产生686.7 kN的抓力，在中等黏土中约产生981 kN的抓力，准静力分析法选取的锚链和锚可满足14级台风下的抗台需求。当台风等级为15级以上或者更高时，可能会发生单个锚所提供锚抓力不足的现象，可采用增加串联锚的方法以增加锚抓力，提高绞吸挖泥船抗台能力。