自升式風電安裝平臺舾裝數計算探討

程世明 劉璧鉞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

中國海上風電技術飛速發展，市場發展潛力巨大，目前沿海地區正大力開發海上風電項目。海上風電場建設投資規模巨大，為提高風場總發電量，降低海上風電成本，大型風機的研發和應用日益廣泛。我國海上風電安裝施工能力在不斷地提升，其中風電安裝平臺的發展是推動海上作業能力不斷加強的核心動力之一。[1]

自升式安裝平臺是目前使用最廣泛的風電安裝平臺。根據船級社入級規范，自航式安裝平臺均需配置2套臨時錨泊設備。在設計船舶和平臺時，通常根據計算所得的舾裝數直接選取臨時錨設備，包括錨鏈和艏錨參數。對于常規鋼質海船，一般以《鋼質海船入級規范2023》中的舾裝數計算公式為基礎開展臨時錨設備的設計[2]， 各船級社對于舾裝數的計算要求一致且均來自于IACS UR A1標準，而對于海上移動平臺，各船級社的舾裝數計算公式不盡相同且計算結果相差較大。相關主管部門要求臨時錨設備需要具有足夠的安全系數，尤其在發生走錨、錨鏈斷裂等嚴重事故后，臨時錨設備系統的設計受到了業界和主管部門的高度重視[3]。隨著大型風機的不斷發展，風電安裝平臺的尺度越來越大，計算出的舾裝數也越來越大，從而導致選取的臨時錨設備尺寸非常大且重。一方面，臨時錨設備過大且過重，會導致船上布置困難，并影響船體結構；另一方面，太重的臨時錨設備會影響自升式安裝平臺的升降性能，降低其作業能力。

綜上所述，在設計自升式風電安裝平臺的臨時錨設備時，需要同時兼顧經濟性和安全性：既不能為了降低成本而犧牲安全性，選擇過小的舾裝數計算方法；也不能為了追求安全性而人為增大舾裝數，影響船舶性能。

目前，鮮有學者深入研究各船級社頒布的自升式風電安裝平臺的舾裝數計算方法，因此有必要通過對比研究各船級社的舾裝數計算結果，分析出合理的臨時錨設備配置。本文以中國船舶及海洋工程設計研究院（后文簡稱“本院”）設計的1 500 t自升自航式風電安裝平臺為例，探討合理的舾裝數計算方法。首先按照中國船級社（CCS）、美國船級社（ABS）和挪威船級社（DNV）這三大船級社的方法分別計算舾裝數，依據計算結果選取臨時錨設備參數并進行比較，分析CCS《海上移動平臺入級規范2023》中的舾裝數計算公式是否合理；然后通過直接計算法計算出該船受到的環境載荷，根據選定的錨鏈直徑算出其破斷負荷，將環境載荷與錨鏈破斷負荷進行對比,分析建議在計算受風面積時怎樣合理地選取構件形狀系數，提出更為合理的舾裝數計算方法，為后續的自升式風電安裝平臺的臨時錨設備設計提供參考。

1 本船概述

1.1 船舶主尺度和外形圖

本文研究的1 500 t自升式風電安裝平臺主要由船體、桁架式樁腿、齒輪齒條式升降系統等組成，采用流線型艏部、方型艉部，全焊接鋼質船體。其具有一層連續甲板，艏部設生活樓，中部為通暢作業甲板，艉部右舷設1 500 t繞樁式全回轉起重機。該1 500 t自升式風電安裝平臺主尺度參數見表1，外形如圖1所示。

圖1 1 500 t自升式風電安裝平臺側視圖

表1 1 500 t風電安裝平臺主尺度參數

下文將分別按照三大船級社（CCS、ABS、DNV）海上移動平臺的相關規定，進行舾裝數計算。

2 按三大船級社相關規定計算舾裝數

2.1 按CCS規范計算

按CCS《海上移動平臺入級規范2023》，舾裝數計算公式見式（1）：

式中：N為舾裝數，個；Δ為平臺遷移吃水時型排水量，t；A1為錨泊時所有受風表面在與風向垂直平面內的投影面積，m2；A2為錨泊時所有受風表面在與風向平行平面內的投影面積，m2。

A1、A2的計算中一般不考慮結構間的遮蔽效應，然而根據具體情況，下風向構件的投影面積可予以適當折減。對于圓柱形構件可按其投影面積的50%計算，貨物的迎風面積可忽略不計。[4]

2.2 按ABS規范計算

按ABS《Rules for Building and Classing Mobile Offshore Units 2023》，舾裝數計算公式見式（2）：

式中：k=1.0，m=2，n=0.1；h為平臺船體或旁通的數量；Δ為平臺遷移吃水時型排水量，t；∑qCsChAf為平臺航行吃水時艏向總受風面積，m2；q=1.0，對于船體、上層建筑和甲板室；q=0.3，對于其他受風面積；Cs為形狀系數，如表2所示；Ch為高度系數，如表3所示；∑qCsChAp為平臺航行吃水時側向總受風面積，m2；Af為暴露在風中的每個主要構件的正投影面積，Ap為暴露在風中的每個主要元件的側投影面積，單位均為m2，包括立柱、上部結構、甲板構件、上部結構和甲板室、桁架、大型起重機、井架下部結構和鉆井井架，以及運輸水線以上的船體部分，按照不同平臺類型適用，可考慮采用可接受的方法進行防風。[5]

表2 風力形狀系數

表3 風力高度系數

在計算受風面積時，ABS的規定較為細致，除了上述形狀系數，還應考慮以下條件：

（1）任何寬度不超過0.25B（其中B為該平臺型寬）的上層建筑或甲板室可被排除在外，前提是其投影面積小于該平臺總投影面積的1/100。

（2） 高度超過1.5 m的擋板和舷墻應包括在內。

（3）對于帶立柱的平臺，應包括所有立柱的投影面積（即不考慮遮蔽）；然而對于圓柱的表面，可以使用0.5的形狀系數。

（4）通常用于井架塔架、吊桿和某些類型桅桿的開放式桁架，可通過取前后兩側滿實投影面積的30%來近似（即對于雙面桁架結構，一側滿實投影面積的60%），形狀系數應按照表2選取。

2.3 按DNV規范計算

按《DNV-OS-E301-2023》，舾裝數計算公式見式（3）：

式中：Δ為平臺遷移吃水時型排水量，t；A為在正浮狀態下，平臺輕載航行吃水上方所有暴露表面的投影面積，m2。在考慮錨泊系統的布置時，應采用相對最不利的受風方向。[6]

斜向受風面積可通過式（4）來計算[7]：

式中：φ為風的方向相對于船首方向的角度，°；A1和A2的定義同式（1）。

本平臺斜向受風面積計算過程如下頁表4所示。

表4 本平臺斜向受風面積計算過程

從表4結果可知，斜向45°時的受風面積最大。通過上述計算過程，雖然DNV公式僅有2項，其中第2項為受風面積，由于采用了相對最不利的受風方向，使用式（4）計算斜向受風面積，因此第2項可以分解為首向受風面積和側向受風面積之和，兩者系數均為0.67。

上述正投影和側投影面積的系數取決于A1和A2的比例大小，通過分析式（4）和表4中的最不利風向計算過程，當1＜A2/A1＜1.42時，45°為最不利風向；當1.42＜A2/A1＜3時，60°為最不利風向；當3＜A2/A1＜4.33時，75°為最不利風向。

由于自升式風電安裝平臺的船長也顯著大于船寬，主、輔起重機在航行時沿船長方向擱置，因此其側投影面積通常大于正投影面積，即A2/A1＞1；又由于甲板上各構件均計算正投影面積和側投影面積，且一般不考慮遮蔽效應，這也決定了其側投影面積與正投影面積的比值不會太大，通常在1.00 ～1.42。本文統計了本院設計的其他船型相似但尺度不同的自升式風電安裝平臺主尺度及A1和A2的大小值，結果如表5所示。

表5 多艘自升式風電安裝平臺主尺度及A1和A2值

根據表5的統計數據可知，目前多數自升式風電安裝平臺的A2/A1比值在1.00 ～ 1.42，因此其最不利風向為45°，即舾裝數計算時，正投影和側投影的系數均為0.67。

2.4 三大船級社計算結果和對比分析

本平臺正向投影面積為3 060 m2，側向投影面積為4 001 m2。依據CCS、ABS和DNV規范計算的本平臺舾裝數和臨時錨設備規格如表6所示。

表6 本平臺舾裝數和臨時錨設備規格對比表

CCS規范計算得出的舾裝數最大，配置的臨時錨設備規格也最大；ABS的計算結果最??；DNV的計算結果則介于二者之間，且DNV結果與ABS結果接近。從表6可以看出，CCS舾裝數公式計算結果顯著大于ABS和DNV舾裝數公式計算結果。

船級社在對自升式風電安裝平臺進行入級審圖時，均參照各自的海上移動平臺入級規范。雖然CCS、ABS和DNV三大船級社給出的舾裝數計算公式形式差異很大，但是三者均依據排水量和受風面積這2個變量，其中受風面積分為首向受風面積和側向受風面積。由于船舶在使用1只艏錨時存在風標效應，平衡狀態下船舶首向與風向成1條直線、方向相反，因此船舶受到的風力主要為首向力。通過仔細觀察能夠發現，對于單船體的自升式平臺，3個公式中的第1項完全相同，均為Δ2/3。CCS公式的第2項為正投影面積乘以系數2，ABS為正投影面積乘以系數2∑qCsCh，DNV為正投影面積乘以系數0.67（對于本文相似自升式風電安裝平臺）；CCS公式的第3項為側投影面積乘以系數0.1，ABS為側投影面積乘以系數0.1∑qCsCh，DNV為側投影面積乘以系數0.67。

3 直接計算法校核臨時錨設備安全系數

本節采用經驗公式計算平臺在規范建議的環境條件下所受的風、浪載荷，然后將本平臺所受環境力與錨鏈的破斷負荷進行對比可以近似得出錨鏈的安全系數。

3.1 風載荷計算

風的特征由風向和風速表示。風作用在船舶水上部分的力通常包括3個分量，即縱向力、橫向力和繞垂向軸的首搖力矩。確定風載荷最精確可靠的方法是在風洞中進行模型試驗，在沒有風洞試驗資料的情況下，對首向和側向風載荷的計算一般采用如下經驗公式[7]：

式中：Cs為受風構件的形狀系數，可根據構件形狀由表2選??；Ch為受風構件的高度系數，可根據構件高度由表3選??；S為受風構件的正投影面積，m2；P為風壓，kPa；Vw為設計風速，m/s。

斜向的風力Fφ可通過分別計算首向和側向風力，然后按下式合成：

式中：Fφ為斜向風力 ，N；Fx為首向風力，N；Fy為側向風力，N；φ為風的方向相對于船首方向的角度，°。

3.2 流載荷計算

海洋中的流主要包括海流和潮流等。相對于波浪水質點在短時范圍內不斷重復其周期性變化，海流和潮流的速度隨時間緩慢變化。為簡化起見，在實際工程中常將海流和潮流視為穩定流動，對平臺的作用力僅是拖曳力。流載荷根據船體水下部分的形狀和面積，自升自航式風電安裝平臺的流載荷計算經驗公式[7]如下：

式中：Fcx為首向海流力，N；Ccx為首向海流力系數，為2.89 N2/m4；S為平臺包括附屬體在內的濕表面積，m2；Vc為設計流速，m/s。

3.3 船舶合力計算結果

IACS UR A1標準中說明根據舾裝數確定的臨時錨設備是針對因等待靠泊、潮水等而暫時拋錨于港口或遮蔽海域的船舶，并不適用于在風暴天氣下使船舶與毫無遮蔽的海岸保持距離，或使移動或漂動中的船舶停下。舾裝數計算公式基于假定的2.5 m/s最大水流速度以及25 m/s最大風速。對于船長135 m以上的船舶，所要求的臨時錨設備可認為適用于1.54 m/s最大水流速度、11 m/s最大風速為、2 m最大有義波高的環境。[9]

本船水線間長為136 m，雖然船長大于135 m，但是接近135 m分界線。從安全的角度出發，本文仍然計算最大水流速度為2.5 m/s、最大風速為25 m/s環境條件下的受力。

通常1艘船舶只使用1只艏錨，船舶圍繞臨時錨可以隨風浪流作360°回轉。在風標效應的作用下，錨泊船舶將會停泊在環境力最小的方向上，因此需要計算艏向（0°）時的環境力，且風力和流力同向時船舶受到的環境力最大。

經計算，風載荷為1 471 kN，流載荷為154 kN，合力為1 625 kN。在船舶合力已經確定的情況下，錨鏈張力的結果已基本確定。因此本文按照2.4節選定的錨鏈直徑計算出各自的破斷負荷，然后將其與本平臺所受環境力對比，便可以近似得出錨鏈的安全系數，結果如表7所示。

表7 錨鏈安全系數計算結果

從表7可以看出，CCS、ABS和DNV規范選取的錨鏈安全系數都大于3，其中CCS的安全系數為5.7，遠高于ABS和DNV規范要求，說明采用CCS規范計算舾裝數時，存在較大的優化空間。

4 結論與建議

ABS規范詳細規定了不同構件的形狀系數和高度系數，而CCS和DNV均沒有這樣規定，只提出“設計者可以適當考慮形狀系數”的原則性建議。本文對比分析了CCS、ABS和DNV這3個舾裝數計算公式的異同。通過以上分析可知，受風面積變量前面的不同系數是導致計算結果不一致的主要原因。自升式風電安裝平臺的特點為高聳的樁腿和巨大的起重機，其受風面積大，因此不同的公式計算結果相差很大。

本文采用CCS、ABS和DNV公式計算了1 500 t自升自航式風電安裝平臺舾裝數并配置臨時錨，利用經驗公式計算了相應環境條件下的載荷，然后將錨鏈破斷負荷與平臺所受環境力比較得到近似的安全系數。三大船級社要求的臨時錨設備均滿足使用要求，而CCS的配置規格余量過大，因此本文提出更為合理的舾裝數計算方法：

（1）舾裝數計算公式形式與CCS《海上移動平臺入級規范》中的規定相同，仍然是以排水量、正向投影面積和側向投影面積作為變量，修改第2項正投影面積的系數為1.5，第1項排水量和第3項側投影面積的系數保持不變。

（2）在計算投影面積時，可以適當選取較小的構件形狀系數：桁架式樁腿的形狀系數取0.3，圓柱形樁腿以及起重機基柱筒體等形狀系數取0.5，大起重機的桁架式吊臂形狀系數取0.6或者更小，直升機平臺圓管下支柱以其實際投影面積乘以形狀系數0.5；對于輔起重機、雜物吊、雷達桅等較小的孤立構件，可以參照ABS規范的要求取總投影面積的0.3倍；適當地考慮相距較近的構件之間的遮蔽效應，對于被遮擋構件的投影面積進行折減；不考慮構件的高度系數。

通過上述方法可使所配置的臨時錨設備既能夠滿足既定環境條件下的臨時錨泊需求，又能減少設備所占的甲板面積，減輕空船質量，在安全性和經濟性之間取得平衡。