王建偉，孫麗萍，艾尚茂，孫為本

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

3 000 m起重鋪管船鋪管作業(yè)率研究

王建偉，孫麗萍，艾尚茂，孫為本

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

針對(duì)3 000 m起重鋪管船的運(yùn)動(dòng)性能，對(duì)其鋪管作業(yè)率做了相應(yīng)的研究。將模型試驗(yàn)得出的規(guī)則波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的每個(gè)自由度的n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通過樣條差值的方法編寫到不規(guī)則波響應(yīng)譜中，并采用變步長(zhǎng)勒讓德－高斯積分的方法求解出船舶不規(guī)則波運(yùn)行的單幅最大值。同時(shí)，與SESAM程序軟件的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，經(jīng)研究，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性。最后，將計(jì)算出的一系列單幅最大值與相應(yīng)校準(zhǔn)值作比較，根據(jù)海況資料，將所有滿足條件的一系列不規(guī)則波的發(fā)生概率相加，則起重鋪管船在特定工況下的鋪管作業(yè)率得到了求解。

深水；起重鋪管船；傳遞函數(shù)；不規(guī)則波；鋪管作業(yè)率

隨著海洋石油天然氣開發(fā)的不斷深入，海洋管道的作用顯得越來越重要，而對(duì)于海洋管道鋪設(shè)的專用設(shè)備－鋪管船的關(guān)注程度也在不斷提高［1］。迄今為止，很多學(xué)者將注意力放在了研究起重鋪管船上。Rammant等［2］介紹了起重鋪管船分別在普通海況和惡劣海況下設(shè)計(jì)方法，并研究了鋪管的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。而Clauss等［3］也主要研究了在鋪管過程中管道的動(dòng)力分析。Szczotka［4］曾提出采用動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)模型的方法分析鋪管過程。而You等［5］則對(duì)起重鋪管船在運(yùn)動(dòng)過程中的橫搖阻尼做了相應(yīng)的研究。

文中主要是通過數(shù)值處理模型試驗(yàn)得出傳遞函數(shù)的方法來評(píng)估起重鋪管船作業(yè)率。利用賀俊松［6］提出的求解載荷響應(yīng)譜方程式，直接得出了在一種不規(guī)則波作用下的載荷響應(yīng)譜，并作簡(jiǎn)單的運(yùn)算，得出了起重鋪管船的單幅有義波和單幅最大值。最后，參考張進(jìn)豐等［7］針對(duì)鋪管作業(yè)率的研究，結(jié)合本文的計(jì)算方法可以得出在某一區(qū)塊下起重鋪管船的作業(yè)特性，評(píng)估出了該起重鋪管船在特定工況和海域下的鋪管作業(yè)率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 載荷的響應(yīng)譜

應(yīng)用頻域理論對(duì)于船舶的短期波浪載荷做直接計(jì)算。因?yàn)槲闹杏?jì)算的海況資料是由一系列的JONSWAP譜定義的。所以，不規(guī)則波波譜選為JONSWAP譜。JONSWAP波形譜［7］（γ＝3.3）的譜密度為

波浪特征周期T01與譜峰周期Tp關(guān)系為

文中采用模型試驗(yàn)得出船舶的運(yùn)動(dòng)幅值傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)是速度U、頻率ω和浪向μ的函數(shù)，可表示fj（U，ω，μ），j＝1，2，…6分別表示船舶6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)模式。如此船舶在j模式下的載荷響應(yīng)譜［8］Sj（u，H1／3，T01，μ，ω）為：

載荷響應(yīng)譜Sj（u，H1／3，T01，μ，ω）的零階矩［8］為

因此，其載荷過程的方差為

運(yùn)動(dòng)方差m0j確定后，第j模式運(yùn)動(dòng)的單幅有義值可以由下式求出：

第j模式運(yùn)動(dòng)的的單幅最大值為：

1.2 起重鋪管船的鋪管作業(yè)率

在某一特定的海域下，由一系列的JONSWAP波譜描述，并給出每一對(duì)（TP，H1／3）所對(duì)應(yīng)的波譜發(fā)生概率。依據(jù)第1.1節(jié)中得出的不規(guī)則波作用下的單幅最大值公式，可以分別求出該區(qū)塊下包含的所有不規(guī)則波作用下的單幅最大值，并與相應(yīng)的準(zhǔn)則做校準(zhǔn)，將不滿足條件的不規(guī)則波除去，并將所有滿足條件的波譜的發(fā)生概率相加，其和就是該起重鋪管船在某作業(yè)工況下的鋪管作業(yè)率。

其中，鋪管作業(yè)率計(jì)算浪向?yàn)轫斃?80°、艏斜浪135°和橫浪90°。在全浪向下作業(yè)計(jì)算時(shí)，要分別確定各浪向的權(quán)系數(shù)，本文中采用的權(quán)系數(shù)［7］分別為頂浪180°（加權(quán)系數(shù)0.25）、艏斜浪135°（加權(quán)系數(shù)0.50）和橫浪90°（加權(quán)系數(shù)0.25）。

該起重鋪管船在某鋪管作業(yè)下的作業(yè)率為：

式中：p（A）為在區(qū)塊A下的全浪向作業(yè)率；p（A，αi）（i＝1，2，3）為在區(qū)塊A下的某浪向下的作業(yè)率；βi（i＝1，2，3）為某浪向下的加權(quán)系數(shù)。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

文中主要是對(duì)深水鋪管起重船的運(yùn)動(dòng)型能做研究，其模型與實(shí)船的縮尺比為λ＝48.684，主尺度如表1所示。

表1 主尺度Table 1 Principal dimension

圖1為安裝了托管架的模型，圖2為模型在10 m水深中進(jìn)行試驗(yàn)。在圖2中，模型甲板上有3個(gè)光球，通過利用光學(xué)儀器測(cè)量光球的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可以得出起重鋪管船的傳遞函數(shù)。為了獲得該船的載荷傳遞函數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行規(guī)則波試驗(yàn)，試驗(yàn)浪向分別為頂浪180°、艏斜浪135°、橫浪90°、艉斜浪45°和隨浪0°，所有試驗(yàn)均在零航速下進(jìn)行。規(guī)則波波高取1／50船模長(zhǎng)度約為82 mm。

圖1 安裝了托管架的船模Fig.1 Ship model installed stinger

圖2 水中試驗(yàn)的船型Fig.2 The spherical shock wave acting on a rigid plate

為了驗(yàn)證程序的計(jì)算結(jié)果，將其與SESAM軟件的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比。運(yùn)用SESAM軟件GENIE模塊所建的模型，網(wǎng)格密度取為2 m，共3 533個(gè)網(wǎng)格，然后將模型導(dǎo)入到HYDROD模塊中進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，導(dǎo)入HYDROD模塊中的模型如圖3。

圖3 SESAM軟件模型Fig.3 Software Model

圖4 模型試驗(yàn)與SESAM軟件的對(duì)比結(jié)果Fig.4 The comparison between model tests and SESAM software

圖4 為模型試驗(yàn)與SESAM軟件的計(jì)算結(jié)果。分別為垂蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。在采用HYDROD模塊進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算時(shí)，其橫搖的臨近界阻尼為0.07。通過對(duì)比模型試驗(yàn)與SESAM軟件的計(jì)算結(jié)果，在一些局部的地方會(huì)有誤差，造成兩者誤差的主要原因是造波機(jī)造的波浪與標(biāo)準(zhǔn)值之間有誤差和水池的池壁效應(yīng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 載荷響應(yīng)譜的數(shù)值模擬

由于本文的計(jì)算對(duì)象為起重鋪管船，根據(jù)船的工作特點(diǎn)，要求其工作海況均較為平和。文中所采用的不規(guī)則波譜為JONSWAP譜，具體參數(shù)為有義波高H1／3為1.5 m，譜峰周期Tp為12 s。

圖5 SESAM軟件與數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果Fig.5 The comparison between SESAM software and numerical simulations

分別選取浪向角為180°時(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。將頂浪時(shí)垂蕩和縱搖的傳遞函數(shù)與特定的不規(guī)則波波譜代入式（3），得出載荷響應(yīng)譜。

圖5分別為垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)的載荷響應(yīng)譜，同時(shí)，分別與SESAM軟件對(duì)該艘船進(jìn)行水動(dòng)力分析得出的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，曲線趨勢(shì)基本相同。驗(yàn)證了計(jì)算程序的有效性。需要注意的是，為了統(tǒng)一計(jì)算結(jié)果，在求解縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜時(shí)，需要將角度轉(zhuǎn)化成弧度。對(duì)載荷響應(yīng)譜的零階矩m0j求解，根據(jù)式（4），即分別對(duì)圖5中的曲線進(jìn)行積分，結(jié)果如表2。通過與SESAM軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，兩個(gè)自由度的有義值的計(jì)算誤差分別為5.74%和4.44%。形成差別的最主要原因是船模試驗(yàn)得出來的傳遞函數(shù)與運(yùn)用SESAM軟件計(jì)算出來的傳遞函數(shù)在局部曲線處的不同。

表2 方差和有義值計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of the integral

3.2 作業(yè)率的計(jì)算結(jié)果

表3 縱搖運(yùn)動(dòng)的單幅最大值（浪向角為135°）Table 3 The maximum values of pitch（wave direction 135°）

在給出該起重鋪管船在某工況下的鋪管作業(yè)率時(shí)，衡準(zhǔn)值采用縱搖單幅最大值＜2.0°，橫搖單幅最大值＜2.5°，該作業(yè)衡準(zhǔn)值與荷蘭Gusto公司作業(yè)率［7］計(jì)算相同。如表3、4所示，直線圈出的不規(guī)則波為不滿足校準(zhǔn)準(zhǔn)則的部分，除去該區(qū)域，可以得出該起重鋪管船的鋪管作業(yè)率。因?yàn)榭v搖和橫搖運(yùn)動(dòng)在浪向角分別為90°和180°時(shí)，運(yùn)動(dòng)幅值很小，所以可以省略。同理，分別計(jì)算出橫搖運(yùn)動(dòng)在浪向角為90°和135°的結(jié)果。表5～7為該鋪管船在A區(qū)域不同浪向角下的發(fā)生概率。

表4 縱搖運(yùn)動(dòng)的單幅最大值（浪向角為180°）Table 4 The maximum values of pitch（wave direction 180°）

表5 鋪管作業(yè)率（浪向角為180°）Table 5 Operation probability（wave direction 180°）

表6 鋪管作業(yè)率（浪向角為135°）Table 6 Operation probability（wave direction 135°）

表7 鋪管作業(yè)率（浪向角為90°）Table 7 Operation probability（wave direction 90°）

根據(jù)不規(guī)則波的發(fā)生概率，起重鋪管船的鋪管作業(yè)率可以求出。

根據(jù)式（8），計(jì)算得出該起重鋪管船在區(qū)塊A下的全浪向鋪管作業(yè)率為：

在區(qū)塊A中，頂浪180°時(shí)的作業(yè)率為95.30%，首斜浪135°時(shí)的作業(yè)率為90.72%%，橫浪90°時(shí)的作業(yè)率為44.41%，全浪向作業(yè)率為80.29%。因此，該起重鋪管船在該作業(yè)工況下橫浪作業(yè)時(shí)的作業(yè)率為最低，頂浪時(shí)的作業(yè)率為最高。所以，該起重鋪管船應(yīng)該避免在橫浪時(shí)作業(yè)，盡量在頂浪時(shí)作業(yè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)起重鋪管船的模型試驗(yàn)得出來的規(guī)則波下船的傳遞函數(shù)，獨(dú)立的編寫了一套程序，使其能夠?qū)⑦@一系列的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬。應(yīng)用求解出的傳遞函數(shù)，得出不規(guī)則波下的載荷響應(yīng)譜，同時(shí)，將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與SESAM程序系統(tǒng)的結(jié)果作對(duì)比。利用該方法計(jì)算出某區(qū)塊下所有不規(guī)則波響應(yīng)譜下的船舶載荷響應(yīng)的單幅最大值，并根據(jù)相應(yīng)準(zhǔn)則做校準(zhǔn)，將滿足條件的不規(guī)則波波譜在該區(qū)域的發(fā)生概率相加，則分析出該起重鋪管船在特定海域下的鋪管作業(yè)率。最后，由于鋪管作業(yè)率的計(jì)算對(duì)于起重鋪管船的評(píng)估有很重要的作用，因此，本文為工程計(jì)算提供一種可靠且實(shí)用的計(jì)算方法。

［1］劉嵬輝，曾寶，程景彬，等.國(guó)內(nèi)外鋪管船概況［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26：11?15.

［2］RAMMANT J P，BACKX E.Offshore pipeline installation sensitivity analysis for a conventional lay?barge［J］.Applied Ocean Research，1980，2（1）：13?21.

［3］CLAUSS G F，WEEDE H，RIEKERT T.Offshore pipe lay?ing operations—Interaction of vessel motions and pipeline dynamic stresses［J］.Applied Ocean Research，1992，14（3）：175?190.

［4］SZCZOTKA M.Pipe laying simulation with an active reel drive［J］.Ocean Engineering，2010，37（7）：539?548.

［5］YOU D，SUN L，QU Z，et al.Roll motion analysis of deep?water pipelay crane vessel［J］.Journal of Marine Science and Application，2013，12（4）：459?462.

［6］賀俊松，彭文科.船舶波浪載荷短期極值的經(jīng)驗(yàn)公式［J］.中國(guó)造船，2011，52（2）：1000?4882.

HE Junsong，PENG Wenke.Empirical formula for ship's short?term wave induced loads［J］.Ship Building of China，2011，52（2）：1000?4882.

［7］張進(jìn)豐，祁江濤，徐文兵，等.深水起重鋪管船運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)與鋪管作業(yè)率［C］／／第十屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第二十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集.北京：海洋出版社，2011：612?614.

［8］李積德.船舶耐波性［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007：67?80.

LI Jide.Ship Seaworthiness［M］.Harbin：Harbin Engineer?ing University Press，2007：67?80.

Study on the operation capability of a 3 000 m pipe?lay vessel

WANG Jianwei，SUN Liping，AI Shangmao，SUN Weiben
（School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

This paper studies the operation capability based on the motions of a 3 000 m pipe?lay vessel.The n data points of each degree of freedom of regular wave response that are derived from model test are input into the irregu?lar wave response spectrum through the spline interpolation method，and the single amplitude＇s maximum values of the vessel are obtained by using the variable step Legendre?Gauss integral method.At the same time，the calculated result is compared with that of the SESAM software program.This study validates the effectiveness of the proposed method.A series of maximum values of single amplitude are obtained and through the comparison with the critical values，all of the probabilities of relative irregular waves，which meet the critical requirements，are added up and the operation capability of pip?lay vessel under the specific condition is thus acquired.

deep?water；pipe?lay vessel；transfer function；irregular wave；operation capability

10.3969／j.issn.1006?7043.201309020

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150414.1652.020.html

U661.1

A

1006?7043（2015）05?0644?05

2013?09?05.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015?04?14.

工信部高技術(shù)船舶科研基金資助項(xiàng)目（Z12SJENA0011）.

王建偉（1988?），男，博士研究生；

孫麗萍（1962?），女，教授，博士生導(dǎo)師.

孫麗萍，E?mail：sunliping＠hrbeu.edu.cn.