大型海洋平臺出江方案設計

賈 君，程正華，陳伶翔，吳鋒鋒

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

隨著國家不斷推進深遠海大型裝備的研制，越來越多船廠開始承建大型海上裝備。由于受到長江水深的限制，大型海工裝備的建造基地大都分布在沿海地區。長江內河船廠以建造小型船舶為主，難以為大型海洋裝備提供出江方案[1]。為給內河船廠提供技術支持和解決方案，本文基于某大型半潛起重平臺，結合長江出?？诘乃钚畔?，設計濕拖、浮拖和干拖等3 種拖航方案。對各方案實施過程中的限制條件進行分析，并在此基礎上選擇最優出江方案。

1 出江限制條件

大型海工裝備出江的限制因素主要包括平臺吃水、出江時的氣象條件、拖航路線上各航段的水深，以及相應時間段的潮汐情況。在拖航時需要保證整個過程中海況良好[2]。在分析吃水時，需要結合拖航路線上的水深信息和潮汐情況。

長江口水域的最淺水深位于九段航道，只要滿足該航段的吃水要求，就能滿足長江口水域的正常通航[3]。九段航道被九段沙分隔為北槽航道和南槽航道。北槽航道的水深較深，最小泥面標高為12.5 m，設計高潮位為4.0 m，基本能滿足所有大型平臺的吃水要求。然而該航道船只較多，航道較窄，最窄寬度僅有350.0 m，在拖航大型海洋平臺時需要暫時封閉航道供其通航。南槽航道較寬，水深較淺，最小泥面標高為4.8 m，設計高潮位為4.0 m，最大吃水為8.3 m。

本文研究的海洋平臺為大型半潛式起重平臺，平臺的主尺度見表1。由于海工平臺在空載狀態下的最小正浮吃水為10.5 m，超過南槽航道的最大吃水，故需要通過增加浮力的方式減少平臺吃水。

表1 大型半潛式起重平臺的主尺度

2 出江方案設計

2.1 濕拖（北槽）

長江北槽航道的水深較深，吃水較大的海洋平臺和船只可直接在該航道中航行。在靜水中拖航大型半潛式起重平臺，當拖航速度為5 kn 時，產生的阻力為1 850 kN；在標準海況（風速20 m/s；有義波高5 m；流速0.5 m/s）下，保持航向所克服的阻力為1 880 kN[4]。根據阻力計算結果，上海打撈局能滿足條件的拖輪僅有“德深”號。根據挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）相關指南，拖輪在波浪中的有效系柱拖力系數的計算公式為

式中：Te為有效系柱拖力系數；Lpp為拖輪總長；Bp為系柱拖力；Hs為有義波高。

不同環境條件下拖航阻力校核情況見表2，有 效系柱拖力滿足拖航要求。

表2 不同環境條件下拖航阻力校核情況

由于海洋平臺的左右浮箱不對稱，故其在拖航時存在偏航力和偏航力矩。為保持平臺航向不變，在平臺的左右舷各布置2 艘小拖輪以克服平臺因不對稱產生的偏航，見圖1。

圖1 拖航布置圖

2.2 浮拖（南槽）

長江南槽航道的最淺水深為4.8 m，最大潮位為4.0 m，漲潮期間水深為8.0 m。由于海工平臺在空載狀態下的最小正浮吃水為10.5 m，超過南槽航道的最大吃水，如需從該航道出江，則必須增加平臺浮力或減少空船質量。由于減少空船質量會破壞船體結構，故采用增加浮力的方式來減少吃水。

半潛船增加平臺的浮力，將2 艘駁船作為半潛船與半潛式起重平臺間的支撐構件（見圖2），在駁船頂部甲板鋪滿木塊，將半潛式起重平臺的載荷均勻傳遞到半潛船上，并利用半潛船的自身動力駛出長江。在拖航期間，半潛式起重平臺和半潛船相對靜止，但系統的穩性、水動力特性、航行時的偏航力和偏航力矩等都均發生較大變化。為保證該方案在拖航時的安全性，對系統的穩性、水動力性能進行單獨校核。

圖2 半潛船示意圖（單位：mm）

2.2.1 穩性分析

在拖航前，查詢未來24 h 或72 h 的氣象信息，并選擇天氣較好的時段進行拖航。依據美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）相關規范對整個拖航系統的穩性進行計算和校核。在校核過程中，結合拖航期間實際天氣條件，選取風速13.8 m/s（蒲氏6 級）進行計算。拖航系統滿足ABS 的相關要求[5]。

2.2.2 偏航力和偏航力矩分析

由于海洋平臺的左右浮箱不對稱，故其在拖航時存在偏航力和偏航力矩。為保證方案的可行性，采用WAMIT 軟件分析拖航系統的偏航情況。假設拖航時Hs=5 mm，則拖航系統在不同航速和艏浪方向下的偏航平均距離見表3。在航速為4 kn 時，拖航系統的平均偏航距離為20.4 m，需要使用半潛船自身產生的動力來克服偏航。使用Star CCM+軟件對該系統在航速6 kn 情況下的水動力進行分析，結果見表4。

表3 拖航系統的偏航平均距離

表4 拖航系統水動力分析

由表4 可知，在來流方向為135°和225°時，該系統的橫向力和偏航力矩較大。若采用該方案進行拖航，為保持較好的操縱性，須時刻保持拖航方向與水流方向一致，這對拖航指揮有較高的要求。

2.2.3 強度分析

采用浮拖的方式出江，半潛平臺雙層底甲板會 承受120 000 kN 的垂直向上的托力，而雙層底在設計初期并未考慮受到這樣一種載荷。為防止在拖航過程中平臺因受力過大出現結構破損或者產生較大塑性變形，需要分析平臺的結構強度。半潛式起重平臺的結構強度分析結果及應力云圖分別見表5 和圖3。雙層底的強度滿足本次拖航的要求。

圖3 半潛式起重平臺應力云圖

表5 半潛式起重平臺的結構強度分析結果

2.3 干拖

干拖方案將大型半潛平臺當作貨物，通過半潛運輸船將其運出長江。目前國內的半潛運輸船主要“泰安口”號、“康盛口”號、“祥云口”號、“祥安口”號等，其具體參數見表6[6]。

表6 半潛運輸船主要參數

本平臺的空載質量為25 000 t，多條半潛運輸船均可滿足要求。為提高運輸船的效率、降低運輸成本，在出江時選擇“致遠口”號進行運輸。

3 出江方案評估

1）濕拖方案

拖航期間半潛式起重平臺的穩性、水動力性能，以及拖輪的穩性均可通過查閱船級社批準的操作手 冊得到。由于海洋平臺的左右浮箱不對稱，故其在拖航時會產生一定偏航。受到水深條件限制，該方案必須從北槽航道出江。由于北槽航道較窄，且本次拖航編隊的航跡帶較長、拖航寬度較寬，在拖航時須占據整個航道，造成其他船只短暫停航?？傮w來看，該方案較為常規，拖航公司的經驗較為豐富，方案的風險較小。

2）浮拖方案

該方案的拖航吃水較小，可選擇任意一條航道進行拖航。然而，浮拖方案需要重新計算整個拖航系統的穩性、水動力性能，以及結構強度，計算過程相對復雜。計算結果表明：當來流角度為45°時，偏航力矩較大，操控較為困難。此外，拖航公司沒有相關經驗可供參考，風險較大。

3）干拖方案

該方案無須考慮半潛式起重平臺的水動力，且對于該類作業拖航公司具有較豐富的經驗，操作難度也相對簡單。然而，干拖方案需要校核碼頭前沿水深，保證半潛平臺能夠安裝到半潛運輸船上。在半潛式起重平臺上駁時，“致遠口”號半潛運輸船需要的最小吃水見表7。由于安全吃水遠遠大于碼頭的水深，故該方案不可行。

表7 平臺上駁時半潛運輸船的最小吃水

綜合考慮3 種方案，最終選擇風險較小的濕拖方案，其實際拖航過程見圖4，成功將半潛式起重平臺從長江北槽拖航至指定海域。

4 結論

大型海洋平臺在出江的過程中常遇到吃水過大、出江困難等問題。本文基于某大型半潛起重平臺，結合長江出?？诘乃钚畔?，設計濕拖、浮拖和干拖等3 種拖航方案。對各方案實施過程中的限制條件進行分析，并在此基礎上選擇最優出江方案，可以得到如下結論：

1）濕拖方案僅能夠從長江北槽航道出江，該航道較窄，在拖航時需要重點關注航跡帶寬度和艏部偏航的情況。濕拖方案可作為大型海洋平臺出江的首選方案。

2）浮拖方案的優點是無航道限制，但需要進行復雜的計算分析，同時操縱難度較大，對船長的操作經驗要求高。

3）干拖方案需要校核碼頭水深是否能夠滿足平臺上駁時半潛運輸船的最小吃水。