NA V AL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程2021年第37卷第1期（总第137期）DOI：10.14056/jki.naoe.2021.01.003
宁长青1，顾赛文1，彭善辉1，张兆德2
（1. 舟山万达船舶设计有限公司，浙江舟山316021；
2. 浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山316022）
摘要：为保证敷缆船在敷设海底电缆过程中锚泊的安全性，以某敷缆船为研究对象，采用SESAM和OrcaFlex软件分析敷缆船作业过程中其系泊锚链的受力特性，对比2种抛锚长度布置方案下锚泊系统在移位和移锚过程中的受力特点。结果表明，在敷缆船移位过程中，其锚泊系统的布置方式对系统的安全性有重要影响，计算结果可为敷缆船的设计提供参考。 关键词：敷缆船；锚泊移位；锚泊安全；张力
中图分类号：U674.34 文献标志码：A 文章编号：2095-4069 (2021) 01-0015-05 Analysis of Anchoring Design for Cable-Laying Ship Operation
NING Changqing1, GU Saiwen1, PENG Shanhui1, ZHANG Zhaode2
中国劳动部（1. Zhoushan Wonderful Marine Design Co., Ltd., Zhoushan316021, China;
2. School of Naval Architecture and Maritime, Zhejiang Ocean University, Zhoushan316022, China）
Abstract:The software of SESAM and OrcaFlex are used to analyze the stress characteristics of the mooring chains operated on a cable-laying ship to ensure the anchoring safety of cable laying operation. The characteristics of the mooring force are compared for two anchoring systems of different anchoring lengths and the result shows that the layout of mooring system plays an important role in system safety during the movement of the cable-laying ship, which provides reference for the design of cable-laying ships.,
Key words:cable-laying ship; mooring shift; anchoring safety; tension
0引言
随着海上可再生能源开发的不断推进，海上风电试验场已进入实际建设阶段，对应的海底电缆铺设作业量逐渐增大。敷缆船一般用于运输、敷设和维修海底电缆，也可用来运输海洋工程建设需要的大件设备。敷缆船作业时的定位方式通常有锚泊定位和动力定位2种。在浅水海域作业时，锚泊定位船舶
的移位通过控制锚链长度实现。这种方式可靠性高，操作方便，对环境的适应能力较强且投资较少，具有较高的工程应用价值。
敷缆船在敷设海底电缆过程中，需考虑船体在风、浪、流作用下的运动响应，系泊系统对环境载荷的承载能力，以及电缆和托管架对船体的作用力等。虽然当前有关敷缆船锚泊安全性的分析较少，但已有很多学者对与之相似的铺管船的锚泊情况开展研究[1]，可用来参考。罗晓健[2]结合各国船级社的规范，对浅水铺管船的锚泊系统配置进行了分析。杨宁[3]对敷设海底缆线过程中缆线张力的变化进行了分析。王玉红等[4]对管道对铺管船运动响应和锚链张力的影响进行了分析。李磊等[5]对水深增加时铺管船的锚泊定位能力进行了研究。宋林峰等[6]对S型铺管船的托管架、船体和管线进行了耦合分析，结果表明，托管架和管
收稿日期：2020-06-09
基金项目：2019浙江自然科学基金（LY19E090003）；2018舟山市科技计划重点项目（2018C21009）
作者简介：宁长青，男，高级工程师，1980年生。2003年毕业于华中科技大学船舶与海洋工程专业，现主要从事船舶与海洋工程设计工作。
16 船舶与海洋工程2021年第1期
线对船体的作用不可忽略。王铭铭[7]在静力条件下对铺管船锚泊移位系统进行了分析。刘力宇等[8]针对锚泊辅助动力定位系统，对锚链和推进器复合失效模式进行了时域模拟，得到了该模式下的定位精度。
由于敷缆船是通过控制绞车收放锚链，进而实现移位的，故在实际敷设缆线过程中敷缆船的移动速度非常缓慢，可将其分解为若干个不同系缆长度下的静态锚泊状态。在移位过程中，船尾的锚链长度逐渐增加，船首的锚链长度逐渐减小。在相同环境、相同载荷条件下，锚链受力会随着锚链长度的变化而变化，但受力的大小肯定介于锚链极值长度的受力值之间，而锚链长度的极端状态分别为敷缆船移位的初始状态和终止状态。因此，在移位过程中，为保证系泊的安全性，只需分析计算锚泊初始状态和终止状态下各锚链的张力。同时，由于系泊状态需从终止状态切换为初始状态，故需进行移锚操作。在移锚过程中，会有1~2条锚链被抬起，此时系泊系统的完整性会遭到破坏，剩余系泊系统的安全性也需进行分析。本文在敷缆船敷缆作业条件下，考虑风、浪、流和托管架对船体的作用力，采用SESAM 和OrcaFlex 软件分析锚泊移位和移锚过程中各系泊锚链的受力情况，为敷缆船系泊安全设计提供参考。 1 基本理论
以三维势流理论为基础，采用数值解法求解浮体的幅值响应算子、附加质量和阻尼系数等水动力参数。
假定浮体在平衡位置处作微幅振荡运动，故可将速度势看作时间因子与空间速度势的乘积，进而将其转化为定常的求解问题。
i (,,,)Re{(,,)e }t x y z t x y z ωφφ-= (1)
式(1)中：i e t ω-为复变函数；i 为虚数单位；ω为频率；t 为时间。
将时间因子分离之后，可将空间速度势表示为入射势、绕射势和辐射势的叠加。
I D R (,,)(,,)(,,)(,,)x y z x y z x y z x y z φφφφ=++ (2) 式(2)中：I (,,)x y z φ、D (,,)x y z φ和R (,,)x y z φ分别为入射势、绕射势和辐射势，结合边界条件和控制方程，可采用三维势流理论求解得到，进而可求解得到频域内的相关参数。采用Cummins 脉冲响应方法求解时域运动方程。
敷缆船在时域内的运动方程为
w1wind c w2m ()()()()d ()()()x
t t x t x t F t F F F F t ττ-∞
++-+=++++⎰ M m K C (3) 式(3)中：M 和m 为敷缆船的广义质量矩阵；K (t-τ)为系统的延
迟函数矩阵；C 为船体的静水恢复力系数矩阵；F w1(t)为一阶波浪力；F wind 为风力；F c 为流力；F w2为二阶波浪力；F m (t )为锚链张力；x 为船舶的位移；
x 为船舶的速度；x
为船舶的加速度。 系泊锚链的运动方程为
()x x
x +++= M C K R μ (4) 式(4)中：M 和μ分别为锚链的质量矩阵和附加质量矩阵；C 为阻尼矩阵；K 为刚度矩阵；R 为节点外载荷
矩阵。
2 敷缆船及其锚泊系统参数
2.1 敷缆船基本参数
本文以一艘服役于近海航区的敷缆船作为分析对象，其总长
86.34m ，垂线间长84.8m ，型宽28.0m ，型深5.5m ，设计吃水3.6m ，排水量7822.5t 。图1为敷缆
船有限元模型。 2.2 锚泊系统参数
敷缆船采用AM3有档电焊锚链，其直径为46mm ，湿重为40kg/m ，轴向刚度为2.13×105
kN/m ，最小破断载荷为1680kN 。根据中国船级社《海上移动平台入级规范》[9]的相关规定：作业工况下系泊索的安
图1 敷缆船有限元模型
x
y z
O
宁长青，等：敷缆船作业锚泊设计分析 17
全系数为2.25，因此本文计算所用锚链的许用载荷为746.67kN ；自存工况下系泊索的安全系数为1.67，对应的许用载荷为1005.99kN 。
2.3 海况参数
根据敷缆船实际工作海域的情况，选取的敷缆作业的典型环境参数见表1。
表1 选取的敷缆作业的典型环境参数
参数 水深/m 风速/(m/s) 有义波高/m
周期/s 表层流速/(m/s)
底层流速/(m/s)
数值
40
10.8
1.5maxthon3
6
1.0
0.6
波浪选择Jonswap 谱（ 值为1.0），定常风速和流速。系泊分析中用到的风力系数和流力系数基于OCIMF （Oil Companies International
Marine Forum ）规范[10]选取。在进行系泊分析时考虑360°波浪范围，由于系泊系统左右对称，计算中只需采用0°~180°浪向，波浪每30°有1个间隔，共计7个方向。以船尾与船中纵剖面和水平面交点为坐标原点，由船尾指向船首为x 轴，x 轴在水平面内逆时针旋转90°为y 轴，建立总体的空间直角坐标系。空间直角坐标系和环境载荷入射示意见图2。 2.4 锚泊布置方案
通常情况下，国内外铺管船或敷缆船在进行锚泊设计时均使用不少于8根锚链[2]，以达到较好地控制移位精度的目的。因此，本文在进行锚泊设计时采用8根锚链。由于敷缆船在移位过程中通过控制锚链的长度实现移位，对应的系泊点位置不变，故抛锚角度会随着敷缆船移位逐渐发生变化，且不同的抛锚角对应不同的抛锚长度。在移位过程中，锚链抛锚长度均介于“起始状态”与“终止状态”之间。因此，仅需对“起始状态”和“终止状态”下不同抛锚长度的锚泊方案进行研究。在锚泊布置中，足够长的锚链能保证每次移锚前敷设足够长的海底电缆，但携带过长的锚链会影响敷缆船携带电缆的能力，并会对移锚的效率造成影响。本文综合考虑敷设能力和作业效率，提出2种不同抛锚长度的锚泊方案（见图3）。各锚链抛锚角为锚链与船舶行进方向的夹角，具体参数见表2。
表2 系泊布置参数
起始状态
终止状态
锚泊方案
锚链编号 抛锚角/(°) 长度/m 抛锚角/(°) 长度/m 1和2
120 350 151 630 3和4 50 595 95 455 5和6 30 770 54 476 方案1
7和8 18 770 34 420 1和2
120 500 151 900 3和4 50 850 95 650 5和6 30 1100 54 680 方案2
7和8
18
1100
34冶金材料
600
3 敷缆船锚泊安全分析
敷缆船在敷设海底电缆过程中一般要经历“移位阶段”和“移锚阶段”2个阶段，其中：“移位阶段”进行敷缆作业；“移锚阶段”为下一次敷缆作业做基础。每个阶段都需考虑给定海况下系统的锚泊安全性，
图2 空间直角坐标系和环境载荷
入射示意
x
y
O
0°
30°
60°
90°
注：实线表示初始状态；虚线表示终止状态
图3 系泊布置图
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
行进方向
抛锚角
18 船舶与海洋工程2021年第1期
因此分别对这2个阶段进行分析。 3.1 移位过程中锚泊安全分析
采用表1中的环境参数，分别对敷缆船“移位阶段”的“起始状态”和“终止状态”下的系泊布置进行时域耦合分析，计算2种方案下各系泊锚链的张力。以受力最大的2号锚链为例，对比2种系泊方案中2号锚链在2种状态下的受力最大值随环境载荷入射角
度的变化情况，结果见图4。
从图4中可看出：在初始状态下，当环境载荷的
入射角度为60°时，2号锚链受力最大，这是由于环
境载荷的入射方向与锚链的布置方向相同，对锚链的拉扯程度最大，导致锚链受力最大；当环境载荷
的入射角度为150°时，与锚链的布置方向垂直，锚链受力最小。在初始状态下，当环境载荷的入射角度在0°~90°时，2号锚链受力的最大值超过了许用载荷，但未发生破断。由于2号锚链的受力均大于其他锚链，且在终止状态下其受力最大值普遍小于初始状态，说
明船舶在移位过程中趋向于越来越安全。此外，方案2的锚链最大受力均大于方案1的锚链最大受力。 3.2 移锚过程中锚泊安全分析
在移位阶段敷缆完成之后，需将锚泊状态从“终止状态”调整为“起始状态”。该过程中会有1~2根锚链被抬起，系泊系统将不再完整，在环境载荷的作用下，锚链有破断的风险，因此需根据实际操作中锚链被抬起之后剩余锚链的实际状态，对其进行时域耦合分析，确保移锚过程中锚泊的安全性。本文考虑锚泊状态从“终止状态”向“起始状态”调整过程中2条锚链被同时抬起，剩余6根锚链在锚泊状态下的安全问题。具体移位过程中典型的锚泊状态见表3。
表3 移位过程中典型的锚泊状态
锚链状态
锚泊状态
1 2 3 4 5 6 7 8 a 抬起 抬起 终止 终止 终止 终止 终止 终止 b 起始 起始 抬起 抬起 终止 终止
终止 终止 c 起始 起始 起始 起始 终止 终止 抬起 抬起 d
起始
起始
起始
起始
抬起
设备维修管理系统
抬起
菲律宾与中国起始
起始
图5为移锚过程中的系泊布置。对图5中2种锚泊方案下不同锚泊状态对应的敷缆船及其系泊系统进行时域耦合分析，提取各锚链的最大张力，结果见表4。
a) 1号锚链和2号锚链 b) 3号锚链和4号锚链 c) 7号锚链和8号锚链 d) 5号锚链和6号锚链
被抬起 被抬起 被抬起 被抬起
图5 移锚过程中的系泊布置
#3
#5
#7
#8 #6
#4
#1
精氨酸加压素#5 #7
#8 #6
#2
#1
#3
#5
#6
#4
#2
#1
#3
#7
#8
#4
#2
图4 锚链受力最大值随环境载荷入射角度的变化 方案1初始状态 方案2初始状态
方案1终止状态 方案2终止状态
1200
9006003000 30 60 90 120 150 180 入射角/( ) 张力/k N
宁长青，等：敷缆船作业锚泊设计分析19表4 2种锚泊方案下不同锚泊状态对应的各锚链最大张力
锚链张力/kN
锚泊方案锚泊状态
1 2 3 4 5 6 7 8
a — — 1315.20 1314.33 210.03 425.23 108.67 108.61
b 560.81 579.81 — — 105.78 381.76 108.67 195.63
方案1
c 452.58 520.67 139.80 115.16 142.46 436.77 — —
d 583.60 722.64 190.56 108.29 — — 169.12 556.09
a — — 1276.38 1256.71 243.82 439.79 223.00 222.50
b 746.30 725.25 — — 220.30 434.80 223.00 222.50
方案2
c 675.99 744.65 193.63 168.48 213.59 507.45 — —
d 644.26 686.92 168.71 168.48 — — 220.30 450.53
从表4中可看出，在2种锚泊方案下，当处于锚泊状态a时，3号锚链和4号锚链的最大张力均超过了许用载荷，但未达到其破断载荷，其余状态下均满足安全要求。由系泊布置可知，当1号锚链和2号锚链同时被抬起时，处于终止状态的3号锚链和4号锚链无法在行进方向上提供足够大的限制力，造成敷缆船对其拉扯作用过大，产生较大的张力。由于考虑的是1号锚链和2号锚链同时被抬起的情况，同时采
用的环境参数较为苛刻，计算所得张力相比实际工程偏保守。实际工程中，可根据环境条件逐根移动1号锚链和2号锚链。因此，在本文给定的环境参数下，移锚作业可正常进行。对比2种系泊方案可知，除了3号锚链和4号锚链的受力差异较大、8号锚链在锚泊状态d下采用方案2时的最大受力小于方案1，其余状态下采用方案2时的锚链最大受力均大于采用方案1时的锚链最大受力。
4 结 语
本文在敷缆船敷缆作业条件下，采用时域耦合方法分析了不同抛锚长度布置方案下锚泊移位和移锚过程中各系泊锚链的最大受力情况，主要得到以下结论：
1) 将动态的移位过程分解为不同的锚泊状态，以受力最大的2号锚链为例，计算并对比了在不同锚泊状态和不同环境载荷入射条件下2号锚链的变化特点，结果表明，终止状态下锚链的最大受力普遍小于初始状态，因此在船舶移位过程中，锚泊系统趋向于越来越安全。因此，将起始状态视为单独的系泊状态计算得到的锚链最大受力相比实际情况偏保守。起始状态下虽然存在锚链最大受力超过许用载荷的情况，但未达到破断载荷。实际工程中可根据天气条件在环境良好时连续作业。
2) 移锚过程中，方案1的锚链最大受力除了个别锚链需密切关注，其余均小于方案2的锚链最大受力。实际工程操作中，移锚过程中的安全问题不可忽略，可考虑使用拖船辅助定位，以确保安全。
3) 移位和移锚过程中，方案1的锚链最大受力普遍小于方案2，其安全性更高。同时，由于方案2的抛锚长度均大于方案1，抛锚范围较大，对周围海域的影响较大，移锚的工作量也较大。因此，方案1更有优势。
【参考文献】
[1] 黄维平，曹静，张恩勇. 国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势[J]. 海洋工程，2011, 29 (1): 135-142.
[2] 罗晓健. 浅水起重铺管船定位锚泊系统配置研究[J]. 中国海洋平台，2012, 27 (1): 8-12.
[3] 杨宁. 海底缆线在敷设过程中的张力分析[D]. 上海：上海交通大学，2015.
[4] 王玉红，李磊，张兆德，等. 铺管船运动响应及对铺设管线的耦合作用[J]. 中国舰船研究，2018, 13 (4): 88-94.
[5] 李磊，吴迪，付春丽，等. 浅水铺管船提升锚泊定位能力的研究[C]//2015年深海能源大会论文集. 海口：中国造船工程
学会，2015.
[6] 宋林峰，孙丽萍，王德军. 深水S型铺管托管架-船体-管线耦合分析[J]. 哈尔滨工程大学学报，2013, 34 (4): 415-420.
（下转第25页）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议