畢遠(yuǎn)濤

(煙臺打撈局， 山東煙臺 264012)

在大豐H3海上升壓站施工工程中，3 800 t全回轉(zhuǎn)浮吊船“宇航起重58”在完成導(dǎo)管架安放和鋼樁沉樁后撤離現(xiàn)場，煙臺打撈局工程船“芝罘島”在導(dǎo)管架旁順流就位，進行焊接和灌漿等后續(xù)施工。因風(fēng)向和流向不同，“芝罘島”橫搖2°多，無法起吊作業(yè)。通過對現(xiàn)場風(fēng)速、風(fēng)向、流速和流向等進行分析，綜合考慮“芝罘島”船舶主尺度和錨泊的設(shè)備性能，最終決定改變錨點位置，調(diào)整船舶艏向，由順流就位改為迎風(fēng)就位。在多次細(xì)微調(diào)整艏向和錨鏈長度后，橫搖明顯減小，“芝罘島”船舶吊臂可正常起落，后續(xù)施工平穩(wěn)進行。

1 順流就位橫搖角度大

1.1 現(xiàn)場流向與風(fēng)向

施工區(qū)域潮汐性質(zhì)為非正規(guī)半日淺海潮，平均高潮位2.09 m，平均低潮位-1.65 m，最高潮位3.34 m，最低潮位-2.97 m(1985年國家高程基準(zhǔn))。平均漲潮歷時5 h 59 min，平均落潮歷時6 h 25 min。流向為南北方向(偏西)，漲潮流向200°，退潮流向345°，平均流速約2 kn?，F(xiàn)場潮流方向見圖1。

圖1 現(xiàn)場潮流方向圖

現(xiàn)場風(fēng)向與涌浪方向一致，施工期間絕大多數(shù)風(fēng)力為東南向，波浪方向也以東南向為主，波高為0.3～1.0 m，周期為3～5 s?，F(xiàn)場波浪頻率玫瑰圖見圖2。

圖2 現(xiàn)場波浪頻率玫瑰圖

1.2 順流就位

拖船“德滋”拖帶主作業(yè)船“芝罘島”至導(dǎo)管架東側(cè)，考慮到現(xiàn)場流向主要為南北向和方便后續(xù)起吊作業(yè)，“芝罘島”船舶平行于導(dǎo)管架、船長沿南北方向就位，距導(dǎo)管架約20 m,艏向為0°，艏艉各拋3只定位錨，見圖3。此就位方式基本為順流就位，拖船、交通船和駁船可方便地傍靠“芝罘島”船舶右舷。

現(xiàn)場風(fēng)向和浪向一致，主要為東南向，而流向為南北向，浪向與流向存在30°～50°的偏角?！爸ヮ穽u”船舶順流就位，在右舷遭受波浪的影響，且波浪周期與船舶橫搖周期接近，“芝罘島”船舶橫搖2°多，無法正常進行起吊作業(yè)。甚至在風(fēng)力和涌浪較小時，“芝罘島”船舶橫搖依然十分明顯，嚴(yán)重影響導(dǎo)管架基礎(chǔ)的后續(xù)施工。

2 對船舶橫搖的分析

針對“芝罘島”船舶順流就位橫搖較大的問題，結(jié)合船舶橫搖原理，對現(xiàn)場海況和船舶特點進行分析，找到橫搖較大的原因，為優(yōu)化就位方式、減小橫搖厘清思路。

圖3 “芝罘島”船舶順流就位圖

2.1 船舶橫搖運動方程

在傳統(tǒng)的船舶橫搖運動方程中，風(fēng)和流對橫搖的影響相對于波浪作用為小量，一般可忽略[1]，根據(jù)能量守恒定律，有

(1)

由式(1)可知:風(fēng)和流對橫搖的直接影響較小。而對于施工船舶來說，船體結(jié)構(gòu)和重量分布基本上為固定值，無法隨意變化，唯一方便調(diào)整的只有波浪擾動力矩，可通過改變船舶艏向、減小船舶受浪面積來減小波浪的影響，從而減輕橫搖。[3]

2.2 船舶參數(shù)激勵-強迫激勵非線性運動微分方程

一般情況下，風(fēng)向和波向一致，船舶在縱浪(迎風(fēng))狀態(tài)下，主要發(fā)生縱搖和垂蕩運動，橫搖幅值很小。但傅魯?shù)略诖霸囼炛邪l(fā)現(xiàn):船舶垂蕩固有頻率是橫搖固有頻率2倍時，會激發(fā)產(chǎn)生大幅值的復(fù)雜橫搖運動，當(dāng)時無法解釋這一現(xiàn)象。在全世界范圍內(nèi)發(fā)生的多起集裝箱船海難事故中，船舶按照航海規(guī)范迎浪減速航行，依舊發(fā)生大角度橫搖甚至傾覆事件，造成重大船舶損失。[4]這些事故直接推動了學(xué)術(shù)界對船舶參數(shù)激勵橫搖現(xiàn)象的研究。船舶在縱浪狀態(tài)下與波面相對位置的變化導(dǎo)致其瞬時濕表面積的迅速變化，造成船舶初穩(wěn)心高發(fā)生變化，船舶橫搖恢復(fù)力矩隨之產(chǎn)生非線性變化，進而導(dǎo)致船舶橫搖穩(wěn)性發(fā)生變化，表觀現(xiàn)象為船舶劇烈橫搖，即船舶參數(shù)激勵橫搖。[5]在波長等于船長、波浪頻率為船舶橫搖固有頻率的2倍時，參數(shù)激勵橫搖最為嚴(yán)重，橫搖角可達(dá)30°以上。

船舶在斜浪狀態(tài)下的波浪分解為船長方向(縱向)和船寬方向(橫向)兩個分量，縱向波浪可能會引起船舶參數(shù)激勵橫搖；而由于左右舷可能存在波面高度差，船舶會受到橫向波浪的強迫激勵力矩作用，產(chǎn)生強迫激勵橫搖。參數(shù)激勵與強迫激勵聯(lián)合作用，對船舶橫搖產(chǎn)生復(fù)雜且重大的影響。[6]

假設(shè)波浪激勵頻率與參數(shù)激勵頻率一致，在參數(shù)激勵-強迫激勵聯(lián)合作用下的船舶橫搖微分方程[7]為

hcos(ωet)]·φ=E0sin(ωet+δ0)

(2)

目前,針對式(2)有多種解法，本文不再贅述。在斜浪狀態(tài)下，參數(shù)激勵與強迫激勵聯(lián)合比單獨的參數(shù)激勵或強迫激勵造成的船舶橫搖更加劇烈，對船舶安全的危害更大。

2.3 “芝罘島”船舶橫搖分析

“芝罘島”船舶長為109 m，寬為27 m，型深為7.2 m，滿載吃水4.2 m。船體水線以下部分近似于方形，基本無型線變化。艏部為居住區(qū)，艉部為350 t全回轉(zhuǎn)吊機。船舶艏艉各有4只定位錨，錨鋼絲長度為1 000 m，艏部另有2只航行錨。“芝罘島”船舶海上就位圖見圖4,其結(jié)構(gòu)和錨鏈分布見圖5。

“芝罘島”船舶初期采用平行導(dǎo)管架、順流就位方式，船向與浪向有30°～50°夾角，即船舶受斜向不規(guī)則波浪影響。斜向不規(guī)則波浪在橫向的分量直接沖擊“芝罘島”船舶舷側(cè)會造成明顯的強迫激勵橫搖，應(yīng)盡量避免。在縱向波浪分量作用下，“芝罘島”船舶水線面面積會隨時發(fā)生變化。當(dāng)水線面面積比靜水中小時，船舶橫穩(wěn)心高和橫搖恢復(fù)力矩減小，穩(wěn)性下降，縱向的參數(shù)激勵橫搖與橫向的強迫激勵聯(lián)合作用，使“芝罘島”船舶發(fā)生較為復(fù)雜和明顯的橫搖，因此船舶無法正常進行起吊施作業(yè)。如果調(diào)整艏向，改變波浪作用方向，將有利于減輕參數(shù)激勵-強迫激勵橫搖。[9]

圖4 “芝罘島”船舶海上就位圖

圖5 “芝罘島”船舶結(jié)構(gòu)和錨鏈分布圖

現(xiàn)場海域波長約3～5 m，波長與船長(109 m)相比為小值，因此波浪直接引起的縱搖較小。“芝罘島”船舶自身重量較大，垂蕩較小，又因船底為方形，垂蕩造成的水線面面積變化較小。參數(shù)激勵橫搖的主要原因是縱搖和垂蕩造成大幅值的橫搖，由于“芝罘島”船舶的結(jié)構(gòu)特點，可判斷在參數(shù)激勵-強迫聯(lián)合激勵中，縱向的參數(shù)激勵對船舶橫搖影響較小，橫向的強迫激勵對橫搖影響占主要部分。

現(xiàn)場流速較快，但對船舶的影響以流壓力為主，對橫搖影響較小?！爸ヮ穽u”船舶具有6只7.25 t和2只6.50 t定位錨，海底為泥砂底，錨抓力能夠解決流壓力壓迫船舶的問題。如果調(diào)整船舶艏向，使船長方向與波浪方向(風(fēng)向)一致，可明顯減弱強迫激勵橫搖，參數(shù)激勵橫搖因波長小而影響有限，船舶穩(wěn)定性會得到有效提高。[10]

3 就位方式優(yōu)化調(diào)整

3.1 橫流順風(fēng)就位

“芝罘島”船舶根據(jù)此前對橫搖的分析和現(xiàn)場海況調(diào)整錨位，艏向由0°調(diào)至300°，由船長沿南北方向就位改為東南西北方向就位。同時,加拋6號錨，船舶處于導(dǎo)管架東北側(cè)，最近處距導(dǎo)管架約為20 m(見圖6)，該就位方式基本上為迎風(fēng)(縱浪)、橫流。為避免流壓力造成船位移動而碰撞導(dǎo)管架，“芝罘島”船舶多次細(xì)微調(diào)整錨鋼絲長度，使錨鋼絲都帶力，增強錨泊的穩(wěn)定性。1#、4#和8#錨點經(jīng)過位置謹(jǐn)慎選取，保證船舶橫向位置處于可控狀態(tài)，2#、6#和7#錨點使船舶縱向可適度調(diào)整。在風(fēng)向和浪向轉(zhuǎn)變時，可通過收放錨鋼絲改變船舶方向，使船舶始終處于順風(fēng)順浪狀態(tài)。

圖6 “芝罘島”船舶橫流順風(fēng)就位圖

“芝罘島”船舶在調(diào)整至橫流迎風(fēng)迎浪就位方式后，船舶穩(wěn)定性明顯提高。由于船舶橫向無波浪沖擊，而縱向波浪波長較短，對船舶橫搖的影響很小，因此橫搖角減小至0.2°以下，“芝罘島”船舶吊臂可順利起落，導(dǎo)管架基礎(chǔ)后續(xù)施工得以正常有序進行。

3.2 橫流順風(fēng)就位注意事項

“芝罘島”船舶橫流就位，順利解決了船舶橫搖問題，但該就位方式存在一定的局限性，具體表現(xiàn)在：

1) 對風(fēng)向轉(zhuǎn)變的應(yīng)變性存在不足。施工現(xiàn)場東南風(fēng)居多，浪向也以東南為主，存在風(fēng)向轉(zhuǎn)變、風(fēng)力加大的情況。船舶在導(dǎo)管架東北方向就位，而施工區(qū)東北方向是開闊海域，東北風(fēng)會造成巨大的波浪，使船舶處于橫浪狀態(tài)，橫向波浪的強迫激勵橫搖對船舶影響最為明顯和劇烈，在此作用下船舶橫搖十分明顯。東北向的風(fēng)浪還會壓迫船舶逼近導(dǎo)管架，引發(fā)碰撞風(fēng)險。例如某日上午9時，現(xiàn)場突然由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為6～7級東北風(fēng)，此前平穩(wěn)的“芝罘島”船舶幾分鐘內(nèi)橫搖達(dá)6°～7°，進行中的灌漿施工被迫停止，主吊臂立即歸位，船舶離導(dǎo)管架一度只有7 m，船長立刻召集人員絞船移位，避免造成船舶與導(dǎo)管架碰撞。因此，此橫流迎風(fēng)就位方式對維持東南風(fēng)下船舶的穩(wěn)定性效果明顯，風(fēng)向轉(zhuǎn)變后對消除橫搖影響的效果不佳，特別應(yīng)避免橫向風(fēng)浪對船舶的沖擊。橫向風(fēng)浪來臨前，“芝罘島”船舶必須離開導(dǎo)管架，以保證自身和導(dǎo)管架安全。

2) 橫流就位對船舶安全提出重大挑戰(zhàn)。“芝罘島”船舶橫流就位，現(xiàn)場流速較大。船舶底部為方形，船長為109 m，吃水為4.2 m，迎流面積較大，潮流對船舶的橫向沖擊力不可忽視。雖然船舶的錨泊性能較好，但存在漲潮流壓迫船舶逼近導(dǎo)管架的風(fēng)險。為防范此風(fēng)險，甲板人員定時巡視，施工人員隨時關(guān)注現(xiàn)場情況，謹(jǐn)防碰撞。橫流就位方式也給現(xiàn)場交通船、駁船的靠泊帶來一定困難。例如，在交通船靠泊時，潮流可能將交通船主動壓迫至“芝罘島”船舶舷側(cè)，存在碰撞危險。此問題可通過交通船和駁船的船長加強操船或等到平流期再靠泊等方法解決。

3) 長波浪下可能發(fā)生參數(shù)激勵橫搖?，F(xiàn)場波浪波長較短，一般為3～5 m，但警惕長波浪的影響。當(dāng)波長與船長在同一數(shù)量級時，縱向波浪對橫搖產(chǎn)生耦合影響，造成明顯的參數(shù)激勵橫搖。若浪向與船長方向存在一定的角度，還會產(chǎn)生強迫激勵橫搖，在參數(shù)激勵-強迫激勵聯(lián)合作用下，船舶橫搖極大。在長波浪來襲時，“芝罘島”船舶只能移船離開導(dǎo)管架，避免碰撞風(fēng)險，盡量調(diào)整船位，使之迎浪，以減小橫搖。

4) 應(yīng)根據(jù)實際船況和風(fēng)浪條件靈活調(diào)整就位?！爸ヮ穽u”船舶迎風(fēng)、迎浪、橫流就位，減輕橫搖影響，是根據(jù)自身船舶構(gòu)造和現(xiàn)場特殊風(fēng)、浪、流情況決定的?！爸ヮ穽u”為工程船，水線面以下部分為方形，基本上無型線變化，垂蕩小，對船舶吃水和水線面面積的影響小，考慮參數(shù)激勵橫搖時可忽略垂蕩的影響。但是，對于一般船舶而言，由于船底型線變化，垂蕩不能忽略，因此更加復(fù)雜。同時,由于大豐H3海上升壓站施工現(xiàn)場流速快，流向與主浪向(風(fēng)向)存在約40°偏角，特殊的海域條件使“芝罘島”船舶選擇迎風(fēng)、迎浪、橫流的就位方式。對于一般船舶而言，潮流對船舶的影響比風(fēng)力大，應(yīng)盡量選擇順流

就位。實際選取就位方式時，一定要綜合考慮船舶結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場海域條件。

4 結(jié)束語

大豐H3海上升壓站施工現(xiàn)場流速快，流向與風(fēng)向、浪向不同，“芝罘島”船舶按傳統(tǒng)方式順流就位橫搖較大，致使無法起吊作業(yè)。通過對現(xiàn)場水文氣象和船舶特點進行分析，找到了順流就位橫搖大的原因，果斷改變就位方式，使船舶迎風(fēng)、迎浪、橫流就位，橫搖明顯減小，“芝罘島”船舶順利完成了導(dǎo)管架基礎(chǔ)的后續(xù)施工。同時,對橫流迎風(fēng)就位方式存在的問題進行說明，找到了解決方法，為復(fù)雜海況條件下船舶就位方式的選取提供了新思路。