羅瑞鋒，黃曌宇

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

起重鋪管船兼具吊裝、起重、鋪管作業(yè)等功能，屬于深海油氣田開發(fā)過程中的主要施工設(shè)備。

起重船和鋪管船水動力性能的相關(guān)研究較多。陳徐均等[1]采用凱恩方法，結(jié)合流固耦合理論分析浮式結(jié)構(gòu)物多剛體系統(tǒng)，并提出其運動方程。韓端鋒等[2]研究全回轉(zhuǎn)起重船在船-吊物、船-系泊等多系統(tǒng)耦合作用下的運動響應(yīng)。任會禮[3]建立錨泊起重船整體系統(tǒng)的剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)模型。李金玉等[4]研究鋪管船在鋪管和起重狀態(tài)下的運動響應(yīng)，分析不同吊索長度對船橫搖和吊鉤運動的影響。許鑫等[5]研究半潛式起重鋪管船在波浪作用下起吊準備狀態(tài)的運動性能。陳永訢等[6]對鋪管船作業(yè)工況進行數(shù)值分析，研究托管架對鋪管船水動力性能的影響。徐普等[7]提出雙層管鋪設(shè)力學(xué)模型，并對該狀態(tài)進行動力響應(yīng)分析。閆宏生等[8]進行船體、托管架及管線三者耦合狀態(tài)下的水動力性能分析。

這些研究大多對起重船起重工況或鋪管船鋪管工況進行單獨分析，鮮有將起重鋪管船的2種工作狀態(tài)結(jié)合分析。為進一步適應(yīng)更大水深、更粗管徑的管線敷設(shè)，尾部托管架的長度越來越長，相應(yīng)地托管架對整船水動力性能的影響也愈加顯著。對于起重功能來說，船體在波浪中的運動引起的吊物擺動會進一步增加船體的運動幅度，進而對起重作業(yè)產(chǎn)生巨大的不利影響。因此，托管架和起重機聯(lián)合工作狀態(tài)下的水動力性能研究勢在必行。

本文以某起重鋪管船為研究對象，對比分析托管架與起重機聯(lián)合工作狀態(tài)下在頻域范圍內(nèi)的運動響應(yīng)結(jié)果，并得出一些有益的結(jié)論。

1 數(shù)值分析理論基礎(chǔ)

1.1 勢流理論及莫里森公式

對船體部分進行基于三維勢流理論[9]的頻域內(nèi)水動力載荷分析：

Δ(Φi+Φd+Φr)=0

(1)

式中：Φi為入射勢；Φd為繞射勢；Φr為輻射勢，由Φr可得到船體勢流附加質(zhì)量和船體勢流阻尼系數(shù)。這些變量均只與船體濕表面積和幾何形狀有關(guān)，而與船體的質(zhì)量無關(guān)。

對于構(gòu)成托管架的細長桿件，采用半經(jīng)驗的莫里森公式進行水動力載荷分析：

Fm=Fd+Fi

(2)

式中：Fm為細長桿件波浪載荷；Fd為拖曳力，為非線性項；Fi為慣性力，為線性項，可分為波浪慣性激勵力和桿件附加質(zhì)量慣性力。Fd計算式為

Fd=ρ/2DCd|uf-us|(uf-us)

(3)

(4)

Fd經(jīng)線性化處理后可分為波浪拖曳力和桿件拖曳阻尼力兩部分。

1.2 運動方程

考慮線性系統(tǒng)下的頻域運動方程為

(M+m)a+Cv+Ku=Ft

(5)

式中：M為整船質(zhì)量；m為附加質(zhì)量，包括勢流附加質(zhì)量和桿件附加質(zhì)量；C為黏性阻尼系數(shù)，包含黏性阻尼、船體勢流阻尼和桿件拖曳阻尼；K為回復(fù)力系數(shù)；a、v、u分別為物體的加速度、速度和位移；Ft為總波浪激勵載荷，包括船體勢流波浪激勵力、桿件波浪慣性激勵力和桿件拖曳激勵力。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值分析條件

對4種載況進行數(shù)值模擬分析：載況1為預(yù)起重狀態(tài)1(空鉤，無托管架)、載況2為預(yù)起重狀態(tài)2(空鉤，帶托管架)、載況3為一般起重狀態(tài)(含鉤載，無托管架)、載況4為托管架起重機聯(lián)合工作狀態(tài)(含鉤載，帶托管架)。整船模型如圖1所示。4種狀態(tài)下的主要載況參數(shù)如表1所示。

圖1 整船模型

表1 數(shù)值模擬起重鋪管船載況

選擇整船在波浪中的垂蕩、橫搖和縱搖進行水動力響應(yīng)分析，考慮5個浪向：0°、30°、90°、120°和180°。

考慮起重機作業(yè)的實際海況，有義波高不超過2 m的4個波浪條件如表2所示。波譜采用JONSWAP譜。

表2 波浪條件

2.2 數(shù)值結(jié)果及分析

采用SESAM軟件對本船船體-托管架系統(tǒng)體進行基于三維勢流理論及莫里森公式的水動力載荷分析。水動力模型如圖2所示。

圖2 水動力模型

對于式(5)中的黏性阻尼系數(shù)C：船體勢流阻尼和桿件拖曳阻尼兩部分由軟件自動求解；對黏性阻尼，主要通過以往相似船型實船數(shù)據(jù)的累積，對無托管架載況1和載況3分別取臨界阻尼的6%和3%，然后通過數(shù)值分析得到相應(yīng)船體黏性阻尼的具體數(shù)值，并將其疊加至帶托管架載況2和載況4的響應(yīng)分析中。

針對水動力響應(yīng)結(jié)果，分別從幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator，RAO)特性和托管架對鋪管船運動性能影響兩個方面進行分析。

2.2.1 RAO特性

本船在各載況下垂蕩、橫搖和縱搖RAO結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 垂蕩運動響應(yīng)RAO

圖4 橫搖運動響應(yīng)RAO

圖5 縱搖運動響應(yīng)RAO

由圖3～圖5可知，本船在帶托管架前后狀態(tài)下的運動趨勢基本一致，規(guī)律如下：

(1)各載況下的垂蕩響應(yīng)幅值均在波浪頻率為0.6 rad/s附近達到最大，橫浪(90°浪向)時響應(yīng)最大；帶托管架后，垂蕩響應(yīng)幅值變化較小。

(2)載況1和載況2的橫搖響應(yīng)幅值在波浪頻率為0.4 rad/s附近達到最大，橫浪時響應(yīng)最大；帶托管架之后，橫搖響應(yīng)幅值降低約6%。

(3)載況3和載況4的橫搖響應(yīng)幅值有2處峰值：第1個峰值出現(xiàn)在0.1 rad/s附近，橫浪時響應(yīng)最大，其原因主要是在起重機帶載的情況下，整船初穩(wěn)心高由預(yù)起重狀態(tài)的8.0 m左右下降至1.5 m左右，大幅降低整船的橫搖固有頻率，托管架結(jié)構(gòu)對該頻率位置的橫搖響應(yīng)幅值抑制作用明顯，可達50%；第2個峰值出現(xiàn)在0.5 rad/s附近，且尾浪(0°浪向)、斜浪(30°和120°浪向)和迎浪(180°浪向)時響應(yīng)比橫浪更大，該橫搖響應(yīng)峰值對應(yīng)的波浪頻率和浪向與第(1)條所述垂蕩運動響應(yīng)峰值結(jié)果一致，分析原因主要是船體帶有1個大月池開口，在浪向沿船長方向存在分量的情況下，波浪頻率與月池內(nèi)部水體的垂向活塞運動產(chǎn)生共振，該月池開口的非對稱布置(位于船體右舷)使整船產(chǎn)生橫搖運動，而且托管架結(jié)構(gòu)對該頻率位置的橫搖響應(yīng)幅值抑制作用同樣明顯，可達30%。

(4)各載況下的縱搖響應(yīng)幅值均在波浪頻率為0.5 rad/s附近達到最大，尾浪和迎浪時響應(yīng)最大；帶托管架后，縱搖響應(yīng)幅值明顯增加。

2.2.2 托管架對鋪管船運動特性影響

考慮表2所述波浪條件，結(jié)合第2.2.1節(jié)，對各浪向下的垂蕩、橫搖和縱搖進行短期響應(yīng)統(tǒng)計[10-11]，得到各載況下本船對應(yīng)不同波浪條件的運動響應(yīng)最可能極值Rmax。統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

注：每個波浪下從左至右依次為載況1～載況4圖6 運動響應(yīng)最可能極值

由圖6可知，輸入波高為1.5 m的波浪4的響應(yīng)結(jié)果明顯大于其余3個波高為2.0 m的波浪。分析原因，主要是當波浪激勵頻率在0.50 rad/s附近時，各載況下的垂蕩、橫搖和縱搖運動均出現(xiàn)峰值(見圖3～圖5)，波浪4的譜峰頻率(0.57 rad/s)正好落在該峰值區(qū)間內(nèi)。

將輸入海況為波浪4時對應(yīng)各載況的響應(yīng)結(jié)果繪制成曲線，如圖7所示。

圖7 波浪4運動響應(yīng)最可能極值

由圖7可知：

(1)垂蕩的危險浪向為橫浪，這與RAO曲線趨勢相符合。且在該浪向下，各載況的垂蕩響應(yīng)極值差異很小，這說明在給定海況下有無托管架對整船的垂蕩沒有影響。

(2)對于無鉤載預(yù)起重狀態(tài)，橫搖的危險浪向為橫浪；對于有鉤載的起重狀態(tài)，危險浪向為尾浪：這均與RAO曲線峰值趨勢一致。且?guī)泄芗軤顟B(tài)的橫搖響應(yīng)極值均小于未帶托管架狀態(tài)，說明托管架帶來的拖曳阻尼對橫搖運動的影響大于托管架帶來的波浪激勵載荷對橫搖運動的影響。

(3)縱搖的危險浪向是迎浪，這與RAO曲線趨勢相符合。對于預(yù)起重狀態(tài)，托管架在一定程度上放大了縱搖運動，但是該影響弱于由鉤載引起重心升高對縱搖運動的影響，且對于帶鉤載的起重狀態(tài)，托管架對縱搖運動還起到一定程度的抑制作用。

3 結(jié) 論

在考慮主船體、托管架、起重機及其貨載作為單個剛體系統(tǒng)的前提下，研究某起重鋪管船運動幅頻響應(yīng)因子和極值響應(yīng)，對比多種海況下托管架與起重機聯(lián)合工作狀態(tài)的水動力性能，結(jié)果表明：

(1)對于鋪管船預(yù)起重狀態(tài)及帶鉤載的起重狀態(tài)，垂蕩、橫搖和縱搖運動響應(yīng)RAO峰值頻率均在0.4 ～ 0.6 rad/s，橫浪對垂蕩的影響最顯著。

(2)對于帶鉤載的起重狀態(tài)，本船的大月池開孔使在尾浪、斜浪和迎浪下的船體橫搖幅度大于橫浪下的船體橫搖幅度。

(3)在給定載況下，本船所帶托管架對垂蕩影響很小，對橫搖有明顯的抑制作用，對縱搖的影響隨裝載狀態(tài)及浪向的變化而不同，但是以最終帶鉤載后的起重狀態(tài)來說，其作用整體而言是積極的。

(4)一般來說，與鋪管作業(yè)相比，起重作業(yè)海況的波高要求更低，考慮到本船所帶托管架對整船運動的相對積極作用，從水動力性能的角度來看，該起重鋪管船尾部托管架與起重機同時聯(lián)合工作的可能性是存在的。