吸力筒式导管架浮卸下潜稳性分析

刘志恒，袁梦，付绍洪

(中远海运特种运输股份有限公司，广州 510623)

吸力筒式导管架近年来大量应用于海上风电项目，如福建长乐、广东阳江海上风电项目。吸力筒导管架可以采用干拖、湿拖、半湿拖3种形式进行海上运输，运输至目标地点后，利用起重船或利用拖船辅助进行安装。拖船辅助安装是将自浮吸力筒导管架拖航到指定位置，利用全回转拖船帮靠定位，然后利用筒顶潜水泵抽吸进行安装。起重船安装方式费用较高，且对起重船舶资源依赖性强，经常不能满足工期需求；拖船辅助安装则必须采用湿拖的运输方式，而湿拖运输速度较慢，且受风浪等环境条件的影响较大不利于运输安全。为此，考虑利用半潜船进行干拖运输，到达施工地点后下潜浮卸吸力筒导管架，再利用拖船辅助安装，既能保证运输的安全高效，又能节约安装的成本，灵活性强。如能实现这种干拖浮卸的安装模式，将可提高海上风电施工的效率和安全性。吸力筒导管架干拖运输和拖船辅助安装已有大量经验，但利用半潜船下潜浮卸吸力筒导管架，目前国内还没有先例，也未见对半潜船浮卸吸力筒的下潜稳性的研究报道。为验证浮卸作业下潜稳性的可行性，以某半潜船浮卸2套吸力筒导管架为例，推导吸力筒气浮力计算方法，建立吸力筒稳性计算模型，计算半潜船浮卸吸力筒下潜稳性，并将计算结果与规范要求进行对比分析。

1 吸力筒气浮力模型

吸力筒以气浮体的形式漂浮于海上，主要利用筒内受压后的压缩气体将水体排开产生浮力。由于气体具有可压缩性,气浮体和实浮体在同一吃水下的浮力不同。为了评估吸力筒在下潜过程中的稳性，需要计算吸力筒在不同吃水下的浮力情况。为此，建立吸力筒气浮力理论模型，计算不同规格吸力筒的气浮力。

为了简化模型，在计算吸力筒吃水和浮力时，筒体结构体积和温差忽略不计。假设吸力筒为圆柱体，筒内的气体为理想可压缩气体，在不漏气、不充气的情况下，气体的体积、压强的关系为

=

(1)

式中：为海平面处的大气压力；为筒体内部气压时对应的气体体积;、分别为吸力筒在某一漂浮状态时筒内的气体压力和体积。

吸力筒气浮状态模型见图1。

图1 吸力筒气浮状态模型

设筒高为，筒的直径为，筒底中心距筒内气-水交界面的垂直距离为(筒内液面高度)，筒内气-水交界面距水面的距离为(筒体排水高度)，水面到筒顶中心的垂直距离为(筒体干舷高度)，筒体截面积为。在某一吃水的状态下，筒内气压可表示为

=(+0)

(2)

式中：0为海平面处的大气压力对应的水柱高度；为水的密度。

=+

(3)

=-=+

(4)

(5)

将式(2)～(5)带入式(1)可得

(+0)·(+)/cos=

0···

(6)

由此可得筒体排水高度与筒体吃水的关系为

(-+0)]

(7)

筒体排水高度产生的排水体积即为吸力筒的浮力，筒体吃水时的浮力为

(-+0)]

(8)

2 典型运输案例

2.1 半潜船参数

半潜船参数见表1，总体布置见图2。

表1 某2万t级半潜船参数

图2 某2万t级半潜船总布置示意

2.2 吸力筒导管架参数

吸力筒导管架外形见图3。

图3 吸力筒导管架主结构示意

每个导管架带有4个相同的吸力筒，筒体中心间距为20 m。吸力筒有不同的直径和高度，其中吸力筒直径分别为10、11、12和13 m，吸力筒高度分别为8.5、9.0和9.5 m，单套吸力筒导管架重量约1 100～1 200 t，重心高约22.4 m。

2.3 配载方案

半潜船干拖运输吸力筒导管架配载方案见图4。

图4 半潜船运输吸力筒导管架配载方案

考虑下潜过程中浮力左右均衡，导管架配载方向与船舶方向一致，即吸力筒形成的正方形1条边沿船长方向，1个边沿船宽方向。另考虑下潜稳性和浮卸操作，2套吸力筒导管架前后布置。为便于下文描述，参图4将2个导管架的吸力筒分成4组，从船艏到船艉分别为A/B/C/D组，每组包含左右2个吸力筒。

3 下潜稳性计算分析

3.1 吸力筒下潜气浮力计算

按照吸力筒导管架参数，计算不同筒体吃水和气浮力的对应关系，用于计算下潜过程中的重量；同时计算和的对应关系，用于建立实浮体下潜模型。代表吸力筒直径，代表吸力筒高度，表2中13-95代表吸力筒直径为13 m，高度为9.5 m，具体计算结果见表2、3和图5、6。

表2 单个吸力筒在不同吃水时的气浮力

表3 单个吸力筒在不同吃水时的筒内液面高度

图5 不同吃水时单个吸力筒的气浮力

图6 单个吸力筒在不同吃水时的筒内液面高度

3.2 吸力筒下潜稳性计算模型的建立

实浮体相当于实体支承于水弹簧上，而气浮体则相当于支承在水弹簧与气弹簧的串联弹簧上。水弹簧与气弹簧串联后的弹性刚度将小于独立的水弹簧弹性刚度，因此在同样位移下气浮体的抗力(矩)小于实浮体的抗力，即稳性差。为了评估半潜船运输吸力筒导管架浮卸下潜稳性，需要将吸力筒气浮体转化为实浮体模型。

利用半潜船稳性软件ELOAD，加入吸力筒等效实浮体模型，形成整体下潜稳性计算模型。吸力筒在不同吃水下，产生的气浮力不同，对稳性的贡献也不相同。由表3可得筒体排水高度。建立实体等效模型时仅保留水下筒体排水高度，即在原浮力筒的基础上减掉的高度，保留吸力筒的水线面形状。入水越深的吸力筒，筒内的液面高度就越大，等效成实浮体后，底部距离甲板就越高，如图7示例，靠船艏的吸力筒底部比较高。按此方法，将下潜过程分成不同阶段，分别计算吸力筒水下等效实浮体的高度，步进式的进行下潜稳性评估。保守起见，选择直径小、重量重的吸力筒导管架进行建模分析。

图7 浮卸吸力筒导管架下潜稳性计算模型示例

为增大水线面面积，提高下潜稳性，半潜船一般采用纵倾模式下潜。因此，吸力筒刚入水时，在没有形成封闭空间之前，筒内会有一定的气体流出，从而减少整个筒体的气浮力。以半潜船艏倾两度下潜为例，根据式(8)，计算吸力筒下潜过程中的气浮力，并对流出气体的气浮力进行修正，最终建立等效实浮体模型。

3.3 下潜稳性法规要求

中国海事局对半潜船下潜稳性有明确规定，对应本次稳性分析，具体要求如下。

3.4 浮卸下潜稳性计算结果

对照规范要求模拟浮卸下潜的操作过程，将下潜过程分为8个步骤，具体稳性评估的步骤及计算结果说明如下。

图8 半潜船浮卸吸力筒导管架下潜示意

表4汇总了下潜稳性计算结果，并与法规要求进行对比，浮卸下潜稳性结果满足法规要求。

表4 半潜船浮卸吸力筒导管架下潜稳性计算结果 m

4 结论

1)半潜船浮卸吸力筒导管架，下潜稳性可以满足法规要求。利用半潜船干拖运输吸力筒导管架，下潜浮卸进行安装是一种可行的施工方法。

2)吸力筒气浮体与实浮体的浮力差异，可以通过理论计算的方法进行换算，可以估算吸力筒下潜过程中的气浮力。

3)将气浮体换算成实浮体后建立模型，可以模拟吸力筒气浮体的下潜过程，评估半潜船浮卸吸力筒导管架的下潜稳性。

随着海上风电行业的迅速发展，海上施工船舶的需求显著增加，起重船资源短缺，一方面造成了成本增加，另一方面也不能保证工期。利用半潜船浮卸安装吸力筒导管架的方法，可为海上风电施工提供一种新型解决方案，可以有效缓解船舶资源的压力，降低安装成本，适应市场需求，对于运输和安装海上风电导管架、发展海上清洁能源具有现实意义。