非自航平臺(tái)臨時(shí)錨系設(shè)計(jì)

尤小健，吳晨暉，舒正誼，丁 巍

0 引言

受我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略影響，海工市場(chǎng)活躍度較高，渤海區(qū)域相關(guān)平臺(tái)的需求量較大。而且近年來(lái)由于造船技術(shù)和海洋工程技術(shù)迅猛發(fā)展，新理論、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備層出不窮[1-2]，加之以提高安全性為目的的各種要求出現(xiàn)，包括相關(guān)的國(guó)際公約、法規(guī)、船級(jí)社規(guī)范等，這一切在錨泊設(shè)計(jì)均有體現(xiàn)[3-4]。

目前渤海現(xiàn)有FPSO類基本均為非自航平臺(tái)，其錨系設(shè)計(jì)與普通船舶錨系設(shè)計(jì)有較多相似之處，因其特殊性，不能完全按照普通船舶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。因此，非自航平臺(tái)的錨系設(shè)計(jì)是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

本文以某非自航平臺(tái)項(xiàng)目為例，根據(jù)錨系設(shè)計(jì)流程，針對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 臨時(shí)錨系功能

非自航平臺(tái)與普通船用錨系功能基本相同，即供船舶在錨地、港內(nèi)或開(kāi)敞水域等待泊位或潮水時(shí)臨時(shí)停泊之用。具體用途有如下三點(diǎn)：

1）船舶在錨地裝卸貨物、添加油水、避風(fēng)、等待碼頭泊位、檢疫和候潮等情況下，均需要在錨地拋錨停泊；

2）靠泊在碼頭一定距離拋錨，以便在靠、離碼頭的過(guò)程中輔助船舶操縱，例如控制沖程和靠攏速度，與車、舵配合控制船首方向和偏轉(zhuǎn)速度，拋錨倒航以從狹窄的港池內(nèi)離泊等；

3）在船舶遇到大風(fēng)浪，頂風(fēng)滯航時(shí)，可以將錨和錨鏈松出適當(dāng)長(zhǎng)度來(lái)增加船舶飄移阻力并有利于控制船首向，以輔助船舶抵抗大風(fēng)浪。

而非自航平臺(tái)除了有以上三點(diǎn)用途外，在平臺(tái)拖航時(shí)，臨時(shí)固定平臺(tái)，并在平臺(tái)拖航時(shí)進(jìn)行拋起錨實(shí)驗(yàn)。

本平臺(tái)主要在渤海水域活動(dòng)，臨時(shí)錨系完全可以滿足上述用途。因此，可以確定本非自航平臺(tái)應(yīng)配備錨泊系統(tǒng)的必要性。

同時(shí)，應(yīng)相應(yīng)配置錨機(jī)、錨、電焊錨鏈等設(shè)備，以確保實(shí)現(xiàn)錨泊功能。

2 舾裝數(shù)的計(jì)算

各船級(jí)社的規(guī)范統(tǒng)一采用IACS提出額定舾裝數(shù)計(jì)算方法及首錨和首錨鏈的配置要求，本文推薦非自航平臺(tái)采用相同方法進(jìn)行錨系的配置。

需要特別指出的是，上述設(shè)計(jì)方法是基于假定水流速度為2.5 m/s、風(fēng)速為25 m/s、出鏈長(zhǎng)度在6節(jié)～10節(jié)之間條件下，能在良好的錨地底質(zhì)上系留。

2.1 船舶舾裝數(shù)相關(guān)參數(shù)

本文錨系設(shè)計(jì)研究對(duì)象為非自航平臺(tái)，主要尺度見(jiàn)表1。

表1 非自航平臺(tái)主要尺度

根據(jù) CCS《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》（2014）第2篇12.2.1.3規(guī)定，舾裝數(shù)如公式[5]：

根據(jù)實(shí)際情況，由a= 3 m，∑hi= 20 m，得h=23 m。由Δ= 175 156 t，B= 50 m，h= 23 m，A= 2 500 m2，可得N= 5 681。

2.2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)規(guī)范要求的配置

根據(jù)CCS《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》第2篇，表12.2.1.3查得，N= 5 681位于第52檔，錨及錨鏈應(yīng)選：

1）首錨數(shù)量3只，每只重16 900 kg；

2）有檔錨鏈取AM3-100，總長(zhǎng)度742.5 m。

2.3 錨系實(shí)際配置

規(guī)范對(duì)平臺(tái)錨及錨鏈的配置僅為指導(dǎo)性要求，應(yīng)結(jié)合其使用工況及國(guó)內(nèi)相關(guān)工程案例使用情況綜合考慮[6-7]。

由于本非自航平臺(tái)長(zhǎng)期單點(diǎn)系泊于渤海，錨系主要在拖航時(shí)等低頻率工況下使用，且正常情況錨泊時(shí)只使用1只錨，因此應(yīng)在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少冗余設(shè)備數(shù)量，以達(dá)到控制項(xiàng)目成本及平臺(tái)重量的目的，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

同時(shí)調(diào)研渤海海域作業(yè)的“渤海長(zhǎng)青”號(hào)、“渤海友誼”號(hào)、“渤海明珠”號(hào)等工程案例，上述FPSO按常規(guī)船舶規(guī)范采用雙首錨設(shè)計(jì)；而最近建造的“海洋石油112”號(hào)、“海洋石油113”號(hào)、“渤海世紀(jì)”號(hào)等均采用單首錨設(shè)計(jì)[5]，可見(jiàn)單首錨的配置已逐漸取代雙首錨配置。

本平臺(tái)推薦參考“渤海世紀(jì)”號(hào)等成熟 FPSO項(xiàng)目，在滿足平臺(tái)使用工況及主甲板布置要求的基礎(chǔ)上，采用單首錨方案。

3 錨及錨鏈的配置

通過(guò)收集近年來(lái)部分已有船舶使用錨的類型，由于斯貝克錨是霍爾錨的改良型，在商用常規(guī)的散貨船、多用途船、雜貨船的應(yīng)用上較多。而海上平臺(tái)及工程作業(yè)船由于所工作海域海洋環(huán)境惡劣，往往選擇大抓力錨系，其中AC-14平衡錨的應(yīng)用尤為頻繁。

近年來(lái)無(wú)桿大抓力錨的使用已成為一種新的趨勢(shì)，這種錨抓力大，自重輕，重量只有霍爾錨或斯貝克錨重量的75%，不僅減少船舶重量，而且可以降低成本。

錨的用途決定了基本要求。抓力大，適應(yīng)不同底質(zhì)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，穩(wěn)定性好，入土距離短，起錨力小，自潔性好，收藏方便等因素直接影響錨的選取。

本非自航平臺(tái)與“渤海友誼”號(hào)FPSO及海洋石油系類 FPSO，其主錨的選型原則與本平臺(tái)是一致的。通過(guò)調(diào)研“海洋石油113”號(hào)、“海洋石油115”號(hào)、“海洋石油 117”號(hào)等平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)其主錨均為AC-14平衡錨。因此，推薦選取AC-14大抓力錨作為非自航平臺(tái)首錨。

實(shí)際選用如下：

1）首錨：選取AC-14大抓力錨1只，每只重16 900×0.75=13 350 kg；

2）錨鏈：選取直徑為100 mm的CCS AM3級(jí)有檔焊接錨鏈1根，長(zhǎng)度為385 m，共14節(jié)。

4 錨機(jī)的選型

4.1 錨機(jī)種類

錨機(jī)按驅(qū)動(dòng)方式可分為：蒸汽錨機(jī)、手動(dòng)錨機(jī)、機(jī)動(dòng)錨機(jī)、液壓錨機(jī)及電動(dòng)錨機(jī)，目前最常用的是電動(dòng)和液壓錨機(jī)。

電動(dòng)錨機(jī)是使用最為廣泛的錨機(jī)。其傳動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)鏈輪軸，鏈輪與傳動(dòng)軸之間設(shè)有離合器，拋錨時(shí)脫開(kāi)離合器，用剎車控制鏈輪。采用速比為1∶2∶4的三速電機(jī)，以中速為額定級(jí)。起錨時(shí)，一開(kāi)始使用高速檔，當(dāng)負(fù)荷增加達(dá)到過(guò)載時(shí)，自動(dòng)由高速檔轉(zhuǎn)換到中速檔，錨出土后可轉(zhuǎn)換到高速檔，錨離開(kāi)水面收進(jìn)錨鏈筒時(shí)，采用低速檔。電動(dòng)錨機(jī)主要由電機(jī)、減速機(jī)、主軸、剎車裝置、離合器裝置、機(jī)架、錨鏈輪裝置、機(jī)旁控制臺(tái)、起動(dòng)器柜等組成。

液壓錨機(jī)的傳動(dòng)方式是液壓馬達(dá)采用開(kāi)式齒輪驅(qū)動(dòng)鏈輪軸，其中其他機(jī)械部件與電動(dòng)錨機(jī)基本相同。但液壓錨機(jī)需設(shè)置液壓泵站。液壓錨機(jī)省去了電動(dòng)機(jī)和減速箱，體積比電動(dòng)錨機(jī)小，重量輕。通過(guò)控制閥直接操縱液壓馬達(dá)，啟動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)速方便，可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)調(diào)速。液壓錨機(jī)主要由液壓泵站、馬達(dá)、操作閥、齒輪箱、剎車裝置、離合器裝置、機(jī)架、主軸、錨鏈輪裝置、起動(dòng)器柜和遙控按鈕盒等組成。

目前國(guó)內(nèi)FPSO上常用的方案是選用電動(dòng)錨機(jī)并聯(lián)系泊絞車，或者設(shè)計(jì)與系泊絞車共用的液壓動(dòng)力源，以降低建造成本。根據(jù)平臺(tái)布置情況，首部無(wú)獨(dú)立液壓站布置空間，因此本非自航平臺(tái)選取電動(dòng)臥式錨機(jī)。

4.2 錨機(jī)操作

各種錨機(jī)除了動(dòng)力部分不同外，其功能部分基本相同，即都包括錨鏈輪、離合器和剎車等。這些功能部件都布置在同一根由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的主軸上。主軸端部的絞纜滾筒隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，錨鏈輪由獨(dú)立離合器和剎車控制。

起錨和收錨時(shí)，合攏離合器，錨鏈輪和主軸咬合在一起，可隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以絞進(jìn)和送出錨鏈。脫開(kāi)離合器，錨鏈輪不隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可進(jìn)行拋錨操作。

剎車用于剎住錨鏈或控制松鏈速度。當(dāng)剎車剎緊時(shí)，錨鏈輪被制牢在錨機(jī)本體上，不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.3 錨機(jī)持續(xù)工作拉力的計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求，錨機(jī)應(yīng)至少能提供30 min持續(xù)拉力。本非自航平臺(tái)選擇錨鏈材料等級(jí)為AM3級(jí)，錨機(jī)持續(xù)拉力為PC= 0.047 5d2。

4.4 臨時(shí)超載能力

根據(jù)規(guī)范要求，錨機(jī)原動(dòng)機(jī)在起錨時(shí)應(yīng)有必要的臨時(shí)超載能力。臨時(shí)超載能力應(yīng)不小于持續(xù)拉力PC的1.5倍，并持續(xù)至少2 min，此期間不要求提升速度。

4.5 起升速度

根據(jù)規(guī)范要求，起錨機(jī)應(yīng)有能力以平均速度不小于9 m/min，將一只錨從水深82.5 m處拉起至深度27.5 m處。

4.6 錨機(jī)剎車力

錨機(jī)剎車裝置應(yīng)能在拋錨時(shí)，足以使錨和錨鏈安全的停住。根據(jù)規(guī)范要求，起錨機(jī)的鏈輪或卷筒應(yīng)裝有可靠的制動(dòng)器，制動(dòng)器剎緊后，應(yīng)在分別承受如下負(fù)荷的情況下，其受力零件不應(yīng)有永久變形，其制動(dòng)裝置也不應(yīng)有打滑現(xiàn)象。對(duì)裝有止鏈器的錨機(jī)裝置，應(yīng)能承受錨鏈或鋼索破斷載荷45%的靜拉力，或能承受錨鏈上的最大靜負(fù)荷。

4.7 電控系統(tǒng)

一般在每臺(tái)錨機(jī)（不帶滾筒）機(jī)旁配置有一個(gè)機(jī)旁控制臺(tái)，如布置于露天區(qū)域，要求其防護(hù)等級(jí)為IP56，一般船用電動(dòng)錨機(jī)機(jī)旁控制臺(tái)均為單手柄控制臺(tái)?？蓪?shí)現(xiàn)如下主要功能：轉(zhuǎn)速和方向控制，可自動(dòng)復(fù)位；緊急停止功能；電源指示功能；綜合報(bào)警指示功能。

4.8 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述要求，可得錨機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 錨機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)是與錨機(jī)生產(chǎn)廠家開(kāi)展技術(shù)交流的初始依據(jù)，廠家根據(jù)此要求深化方案，按平臺(tái)實(shí)際使用需求完成設(shè)備的技術(shù)設(shè)計(jì)。

5 錨系相關(guān)附件

錨系還應(yīng)相關(guān)配置棄錨器、掣鏈器、掣錨器、錨鏈筒、錨鏈艙等裝置，確保錨系的安全使用。相關(guān)附件的設(shè)計(jì)與普通民船的流程一致，國(guó)內(nèi)已有十分成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與配套廠商，下面對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

5.1 棄錨器

棄錨器安裝在錨鏈艙壁上，與錨鏈末端連接。應(yīng)急解脫時(shí)，在錨鏈艙外使用大錘敲擊棄錨器插栓，使錨鏈迅速解脫。其設(shè)計(jì)根據(jù)CB/T 3143-2013《插閂式棄錨器》選取。本平臺(tái)錨鏈公稱直徑為100 mm，選取適用于錨鏈直徑為100 mm的插閂式棄錨器。插閂式棄錨器的使用工況通常是惡劣海況，因此，布置高度還應(yīng)考慮人因工程，方便船員操作大錘。

5.2 掣鏈器

掣鏈器安裝在錨鏈筒主甲板開(kāi)口附近，作為錨鏈導(dǎo)向裝置使用，并在拖航或拋錨系留時(shí)閘住錨鏈，從而卸去電動(dòng)錨機(jī)的負(fù)載。其設(shè)計(jì)根據(jù) CB/T 3844-2000《滾輪閘刀掣鏈器》選取。本平臺(tái)選取試驗(yàn)負(fù)荷為5 856 kN，公稱直徑為102 mm，適用錨鏈直徑為97 mm～102 mm的滾輪閘刀掣鏈器。

5.3 掣錨器

掣錨器是非自航平臺(tái)拖航或系留時(shí)緊固錨的裝置。掣鏈器安裝在錨鏈筒主甲板開(kāi)口附近，使用時(shí)鋼絲繩穿過(guò)鏈環(huán)拴在系繩柱上，通過(guò)收緊螺旋扣將錨栓住。其設(shè)計(jì)根據(jù)CB/T 877-2011《掣錨器》選取。本平臺(tái)選取適用最大錨重為17 800 kg，適用錨鏈直徑為95 mm～102 mm的掣錨器。

5.4 錨鏈筒

錨鏈筒在非自航平臺(tái)起、拋錨時(shí)作為錨鏈的通道，在拖航或系留時(shí)用于收存錨。運(yùn)行工況下，錨收存在首部錨鏈筒中，收存時(shí)應(yīng)高出滿載水線2 m以上。

錨及錨鏈起錨出土?xí)r帶有泥砂等污物，在錨鏈筒周圍應(yīng)設(shè)有同生活水系統(tǒng)連接的接口，用于起錨時(shí)清洗錨和錨鏈。

錨鏈筒軸線的垂直平面與平臺(tái)船體中心線之間的夾角為0°，與水平面夾角為55°。

根據(jù)CB/Z 280-2011《海船艏錨泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》的推薦公式，錨鏈筒相關(guān)參數(shù)計(jì)算如表3所示。

表3 錨鏈筒相關(guān)參數(shù)計(jì)算

5.5 錨鏈艙

錨鏈艙為存放錨鏈的艙室，為封閉式的水密結(jié)構(gòu)。本非自航平臺(tái)在首部設(shè)置有矩形錨鏈艙。在錨鏈堆放高度以上加設(shè)帶鉸鏈水密蓋。在上部人孔蓋下面內(nèi)壁上設(shè)有兩個(gè)眼環(huán)用以固定繩梯，通過(guò)人孔和繩梯可以進(jìn)出錨鏈艙。

錨及錨鏈起錨出土?xí)r帶有泥砂等污物，在錨鏈艙周圍應(yīng)設(shè)有同生活水系統(tǒng)連接的接口，用于起錨時(shí)清洗錨鏈。錨鏈艙底部設(shè)有漏孔網(wǎng)板，漏孔網(wǎng)板至錨鏈艙底的距離為0.8 m，供艙底水管抽污水用，在底部污水井區(qū)域開(kāi)設(shè)水密人孔蓋，用于進(jìn)入污水井清理固體污物。

根據(jù)CB/Z 280-2011《海船艏錨泊設(shè)備配置設(shè)計(jì)通則》的推薦公式，錨鏈艙的高度按相關(guān)要求進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 錨鏈艙的高度計(jì)算

6 錨泊系統(tǒng)驗(yàn)證

平臺(tái)與錨的間隙若無(wú)特殊要求，應(yīng)滿足平臺(tái)縱傾2%Lpp和橫傾1°時(shí)錨收放都不碰到船體，且在正態(tài)時(shí)船體與錨的間隙不小于300 mm，或僅正態(tài)時(shí)船體與錨的間隙不小于1 000 mm，取小者。

大多數(shù)情況下，還應(yīng)通過(guò)制作模型及進(jìn)行拉錨試驗(yàn)以確定錨鏈筒的正確位置，并由此確定錨鏈筒上下出口部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸。

7 錨泊系統(tǒng)布置

根據(jù)上述對(duì)錨機(jī)、錨、電焊錨鏈、棄錨器、掣鏈器、掣錨器、錨鏈筒、錨鏈艙主要技術(shù)規(guī)格的計(jì)算，通過(guò)廠家提供方案或者查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，得到各個(gè)設(shè)備的簡(jiǎn)要外形尺寸。本非自航平臺(tái)根據(jù)主甲板布置，通過(guò)與相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)，布置情況如圖 1所示。

圖1 錨泊設(shè)備布置圖

8 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本非自航平臺(tái)的設(shè)計(jì)，梳理了錨系設(shè)計(jì)的思路，為設(shè)計(jì)類似海洋平臺(tái)錨系設(shè)計(jì)提供參考，希望能給同行在非自航平臺(tái)錨系設(shè)計(jì)方面提供一點(diǎn)幫助，并不斷優(yōu)化非自航平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

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