0 引　言

近年来，我国沿海海上风电项目发展迅猛，装机规模不断扩大，风电场选址由潮间带海域逐步扩展至近海及深远海海域。部分海上风电场场址与沿海习惯航路相邻，船舶航行、锚泊的安全回旋水域受限，增加了海上风电场和船舶的安全风险^[1]。2022年7月2日，“福景001”起重船在广东阳江No.2大型船舶候潮防台锚地锚泊防台期间受台风“暹芭”影响，船舶走锚，船体触碰海上风电场风机桩后断裂沉没，造成了极大的经济损失与人员伤亡^[2]。

李鸿等^[3]利用AQWA软件计算了不同海洋环境下船舶以各种方式撞击海上系泊浮筒系统时浮筒间连连接缆受到的拉力以及缆绳对于船舶的拦停效果。向祎等^[4]利用物理模型设计了一种新型的系泊式桥梁防撞系统，并根据经验公式计算验证了由锦纶绳组成的拦截网的结构强度以及其对于船舶的消能程度。孙剑波^[5]利用时域数值模型提出了一种主动上浮式防船撞拦截设施的概念设计，并利用有限元软件对其水动力模型进行了碰撞的数值模拟，并提出了一些结构优化方案。赵彦龙^[6]利用有限元分析方法和物理模型研究了一种水上桥梁防船撞拦截系统的结构受力情况以及几种情况下船舶撞击对其产生的影响，以及拦截网的联动效能分析。李伟等^[7]利用时域数值耦合模型对不同海况作用下的多浮体系泊系统的水动力响应进行了计算，并且讨论了锚链的各种长度以及材质对其产生的影响。刘哲平^[8]利用有限元计算软件分析了一种泡沫浮球式阻拦系统的抗爆炸能力与抗冲撞能力了，并进行了数值分析最后得出一系列结论。

近些年来，各类码头的建成和海上运输的高速发展使系泊多浮体系统得到广泛应用。各类浮式防船撞设施的建成避免了很多水上建筑物受到船舶撞击而带来严重的人员伤亡和经济损失^[9]。本文基于以往的多种海上浮式阻拦系统提出一种新型可以用于阻拦中大型船舶的浮筒式海上风场防撞屏障，并分析其在台风等恶劣海况下阻拦中大型船舶的可能性，并基于workbench仿真测试2种不同定位方式的定位装置强度，为海上风场的风机保护提供参考与思路。

1 海上防撞屏障系统构型

阻拦系统模拟船舶拦截形式如图1所示。

一种新型海上防撞屏障系统由防撞浮筒和定位装置2个部分组成，适用水深为40 m。阻拦浮筒由橡胶与玻璃钢混合制成，内部构成为玻璃钢，外部由橡胶包围。外部由橡胶包裹的浮筒弹性极佳，当受到外力冲击时，比如船只碰撞，能够利用自身弹性形变来吸收和分散能量，起到很好的缓冲作用。而且橡胶也有不错的耐候性和耐海水腐蚀性，能够适应海上复杂多变的环境。而浮筒内部的玻璃钢保证了阻拦浮筒的整体强度，使阻拦浮筒不会因为船舶过大的冲击力而损坏，并且玻璃钢本身也具有很强的耐腐蚀性，即使外部橡胶因为各种原因而产生破损也可以保证浮筒整体的强度。浮筒形状为长筒状，长度为25 m，高度为3 m（即侧面横截面圆的直径为3 m），两侧突出部分为连接装置，用以安装定位系统。

定位装置的主要用途为连接各个阻拦浮筒单元，分散浮筒在接触到船舶时收到的冲击力，减小单个阻拦单元的失效可能，并将各个阻拦浮筒合成一个完整的阻拦系统，防止船舶从每个浮筒间的缝隙穿过。将阻拦系统稳定地固定在一个范围之内，确保其不会随着极端海况下较大的风浪而随意漂移从而保证阻拦系统可以在其预定的位置发挥作用。

图2为单个阻拦浮筒的示意图。两侧突出的部分为定位装置和浮筒间连接装置的安装位置，侧视图圆形轮廓与的直径为3 m。

2 定位装置设置 2.1 定位装置的选择

定位装置有高分子聚酯缆和锚链2种选择。

1）高分子聚酯缆

将高分子聚乙烯（HDPE）作为定位装置的材料有很多的优点：高分子聚酯材料的密度相对较小，对于浮式浮筒定位装置而言，轻量的缆绳不会给浮筒带来过大的额外负荷，有助于保持浮筒的漂浮稳定性，减少因缆绳过重而导致浮筒下沉或倾斜的风险。同时高分子聚酯还具有较高的抗拉强度和抗断裂能力，能够承受较大的拉力和冲击力。高分子聚酯缆能够保证在恶劣的海洋环境中长期使用而不会出现明显的腐蚀现象以及承受长期的摩擦而不易损坏，减少缆绳的断裂风险。高分子聚酯缆还具有较好的柔韧性，能够适应浮式浮筒在海上的运动和晃动^[10]。

2）锚链

将锚链作为浮式阻拦系统的定位装置，其最大破断拉力会略高于高分子聚酯缆，但成本相对较高：锚链在风浪，水流等复杂的海洋动力条件下均有较好的表现，其质量和柔韧性可以缓冲浮筒所收到的外力，而且锚链一般是由金属（如钢材）制成，其本身具备很高的强度和韧性，能够确保浮筒在恶劣的海洋环境（如强风、巨浪、急流等）中保持稳定。金属锚链耐磨性能也非常出色，能有效抵抗磨损，延长使用寿命^[11]。其还能承受较大的冲击力，避免浮筒因受到剧烈冲击而损坏。锚链的重量相对较大，其重量有助于增加定位系统的稳定性。

2.2 阻拦装置定位方式

为最大化分散波浪以及船舶撞击到阻拦装置时产生的动能，阻拦系统的链接以及定位方式如图3所示。

每个阻拦浮筒的两侧均接有4根缆绳或锚链（注：本文提出2种定位方式，分别为高分子聚酯缆和锚链，但为了简便，本小节中均称之为系泊缆），其中3根较长一根较短，分别为图3中的1号、2号、3号和4号。1号、2号和3号为系泊缆，4号为连接缆。其中1号与2号系泊缆为48 m，3号系泊缆为44 m，4号连接缆为15 m。1号、2号和3号系泊缆均由定位装置固定在海床上，在平时可以起到定位与约束的作用，使海上防撞阻拦系统不会因为较大的风浪而随意漂移。4号缆可以将每个独立的阻拦单元串联起来，使阻拦系统的某一部分受到冲击时可以将力分散到其他部位，还可以阻止船从阻拦浮筒之间的缝隙中穿过。

在本文40 m左右深的实验海况中，考虑到极端情况下的海面波高以及在接触到失控船舶后的缓冲距离，1号与2号系泊缆的长度至少需要在45 m以上，而过长的系泊缆带来的更大的质量可能会超出阻拦浮筒的最大浮力。故在进行了一系列计算并配合workbench的模拟仿真后确定了1号与2号系泊缆的合理长度为48 m，3号缆的合理长度为44 m，3号缆的长度搭配可以保证2根较长的系泊缆在收到较大拉力被拉伸时，较短的3号系泊缆可以及时辅助承担拉力，最大程度地保证浮式阻拦系统的安全性与耐用性。

定位装置的锚固方案采用桩基式锚固，将桩基打入海床中使其与海床产生摩擦力，桩的底部也会对海床的土层产生压力，有助于保证阻拦装置横向与竖向的作用力。桩基采用混凝土桩，混凝土桩的耐久性与抗腐蚀性极佳，可以保证在海底的长时间使用。

2.3 系泊缆参数设置

对于整个阻拦系统而言，系泊缆起到定位与约束作用，是非常重要的一环。因此，对系泊缆参数的选取尤为重要，既不能带来过大的成本，也不能因小失大导致阻拦系统拦截失效。

根据《安全系泊的系泊布置设计和合适的系泊设备和附件选取指南》与《国际海上人命安全公约》，本文海上阻拦装置系泊缆参数的选取方式遵循以下原则：首先，系泊缆的最小断裂强度应满足系泊设计要求和船级社认可的要求，能够承受海上阻拦装置在各种工况下包括风、浪、流等环境中以及阻拦浮筒自身运动所残剩的力，同时还需要有一定的安全系数，以应对可能出现的极端工况。其次，系泊缆的直径应根据海上阻拦系统的规模、重量以及可能受到的外力的大小来选择。其伸长率应在合理范围内，既要保证其具有一定的弹性，能够吸收和缓冲海浪等外力的冲击，又不能伸长过大，以免影响阻拦装置的定位精度和稳定性。

2.3.1 高分子聚酯缆参数设置

表1为高分子聚酯缆的具体参数。

2.3.2 锚链参数设置

$ w=19\;900{D}^{2}\;\; \mathrm{k}\mathrm{g}/\mathrm{m}，$

(1)

$ EA=0.854\times {10}^{8}{D}^{2}\;\; \mathrm{k}\mathrm{N}，$

(2)

$ BL={CD}^{2}(44-80D)\;\;\mathrm{k}\mathrm{N}。$

(3)

式中：D为锚链的链条直径；w为锚链单位长度水中重量；EA为锚链轴向刚度；BL为锚链破断强度。

其中C为关于锚链等级的参数，如表2所示。

由于本文模拟海况较为极端，故选取上表中4S级锚链作为阻拦系统的定位装置，一方面最大化发挥阻拦系统的阻拦能力，另一方面提升阻拦系统在各种极端环境下的应对能力。

取链条直径为0.15 m，根据上文公式可得出阻拦系统定位锚链的单位长度重量为447 kg/m；等效横截面积约为0.018 m²；轴向刚度为1.93×10⁶ kN；最大破断拉力为2.92×10⁴ kN。

2.3.3 定位系统安全规范

根据中国船级社2021年发布的《海上单点系泊装置入级规范》，单点系泊装置系统系泊分析应考虑下述设计工况：

1）完整自存工况：在规定的自存环境条件下，所有系泊索完整的系泊系统的计算工况。

2）破损自存工况：在规定的自存环境条件下，系泊系统中任一根系泊索失效时的计算工况，在完整状态下承担最大载荷的系泊索破损后不一定导致最恶劣的系泊状态。

3）瞬态自存工况：在规定的自存环境条件下，任一根系泊索突然失效而导致的瞬态运动。

当采用准静力分析法和动力分析法时，锚链或钢丝绳张力的安全系数应不小于表3的规定值。张力安全系数 F 规定为：

$ F=P_B/T\mathrm{_{max}} 。$

(4)

式中：P_B为系泊索的最小额定破断负荷，kN；T_max为按本章要求计算得到的系泊索最大张力，kN。

根据表3以及公式（4）可以分别计算出高分子聚酯缆和锚链的完整自存工况下的最大可承受拉力，分别为9.1×10³ kN与1.46×10⁴ kN。

3 2种定位方案定位装置仿真分析 3.1 仿真数值设置

本文为了模拟较极端环境下阻拦装置的阻拦能力，故采用较大的波浪情况，仿真的作业工况为表4中风速为24 m/s时南海的波浪情况，此时的有效波高为4.516 m，谱峰周期为9.452 s，水深采用上文中事故中福景001号出险的水深为40 m。船舶碰撞模型的选择为一艘5000 t左右的散货船，船长约为150 m，船宽约为20 m，满载吃水为6 m。

船体的初始位置设置在距离正常漂浮状态下的阻拦系统约20 m处，预留出足够的距离以模拟无动力船舶被海浪推动的真实情况。同时阻拦系统的定位装置也预留出了一部分长度以保证其可以在海面波幅较大的情况下依旧可以漂浮在海面上，故在较大海浪的推力下阻拦系统也会有相对位移，这样的定位方式也可以逐渐抵消掉漂流船舶的冲击力以保护阻拦装置。另外，在以下计算中船体与阻拦装置之间的水动力相互影响忽略不计。

3.2 高分子聚酯缆 3.2.1 船舶位移情况

图4为以聚酯缆为定位装置的海上浮式阻拦系统在600 s内对飘流船的位移限制。

可以看出，使用高分子聚酯缆作为定位装置时，船舶在接触阻拦系统后，其位置被限制在距离出发点15～32 m浮动。这表明阻拦系统对漂流船起到了有效的止停作用。由图5可知，船舶的横摇角度未超过3°，处于可接受范围内。这说明聚酯缆在一定程度上能够稳定船体，减少其漂移距离和横摇幅度。

3.2.2 聚酯缆受力情况

图6与图7为阻拦系统定位聚酯缆的受力情况。

可以看出，长聚酯缆的最大拉力约为8.3×10³ kN，而短锚链的最大拉力未超过4×10³ kN。这些数值均小于锚链在完整自存工况下的最大可承受拉力9×10³ kN，因此处于安全范围之内。这表明聚酯缆在承受外部环境力时具有一定的强度和可靠性。

3.3 锚　链 3.3.1 船舶位移情况

图8为以锚链为定位装置的的海上浮式阻拦系统在600 s内对飘流船的位移限制。可知，在使用锚链作为定位装置时，船舶在接触阻拦系统后，其位置被限制在距离出发点25～33 m浮动。虽然最远漂移距离略大于聚酯缆，但船体的横摇角度仅为2°（见图9），比聚酯缆情况下的3°更小，显示出更高的稳定性。这表明锚链在拦截漂流船时更加稳定，能够更好地控制船体的漂移和摇摆。

以质量更大的锚链作为定位装置，理论上讲应对失控船的位移限制能力更强，但依图8可以看出飘流船的位移距离反而略远。本文认为原因如下：首先，水流对锚链和聚酯缆的拖曳力不同。锚链由于形状和重量分布，可能在水流中受到更大的拖曳力，尤其是在水流速度较大且方向变化时，拖曳力的合力可能推动锚链产生较大位移。水流的不均匀性对两者影响有差异。若仿真区域存在水流速度梯度，锚链因较重，受水流速度梯度影响更大，可能导致其连接的阻拦浮筒位移比预期增大，而聚酯缆受影响相对较小。其次，锚链较大的质量会带来更大的惯性，在受到失控船舶以较大的速度撞击时，会产生更大的惯性，带着阻拦浮筒向后漂移。阻拦浮筒是拦截船舶的主要方式，阻拦浮筒的漂移也自然会导致船舶的漂移距离增加。

3.3.2 锚链受力情况

图10与图11为阻拦系统定位锚链的受力情况。可以看出，长锚链收到的拉力较大，但最大也未超过6×10³ kN，短锚链受到的最大拉力未超过4×10³ kN，均小于上文提到的锚链在完整自存工况下的最大可承受拉力1.46×10⁴ kN，处于安全范围之内。

3.4 数据对比

根据表5，2种定位装置的海上浮式阻拦装置在极端环境下均可以对失控船舶产生有效的止停效果，并且漂流船的最大漂流距离两者基本相同，最大漂移位移均距离阻拦装置锚泊点20 m左右，故阻拦装置的锚泊点应至少与海上风场距离25 m，预留出5 m的安全距离。但聚酯缆在仿真计算中受力较大，锚链则更为安全。

4 结　语

无论是对海上风场的风机进行结构和性能优化，还是提高船舶的防撞性能，一旦碰撞事故发生都会造成船舶损毁，严重时甚至会导致风机坍塌，因此最重要的是降低事故发生的可能性。本文设计了一种新型海上浮式阻拦系统，并利用仿真模拟测试了其在极端环境下对失控船舶的止停能力，得出了高分子聚酯缆与锚链在极端环境下承受的拉力并得出结论 。以锚链为定位装置的阻拦系统对漂流船的位移稳定效果更好，漂流船在接触到以锚链为定位系统的阻拦装置后船体的横摇明显更小，不过锚链可能带来更大的使用成本。