閆澍旺，李 嘉，雷震名，孫立強，陳國鋒，陶 琳

(1. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

涌浪環(huán)境中鋪管船橫搖機理及模型試驗研究

閆澍旺1，李 嘉1，雷震名2，孫立強1，陳國鋒1，陶 琳1

(1. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

“海洋石油201”號等多艘鋪管船在東海海域進行鋪管施工時受低頻涌浪環(huán)境影響橫搖運動強烈，嚴重影響了正常鋪管作業(yè)。為了分析鋪管船橫搖過大的原因，從理論上分析了鋪管船可能發(fā)生較大橫搖的波浪條件，并對“海洋石油201”號鋪管船在遭遇波浪周期等于橫搖固有周期1/2倍和1倍，不同波高的規(guī)則波中航向角分別為0°、30°、60°和90°時的運動特性進行了模型試驗。試驗結果表明鋪管船遭遇周期為其橫搖固有周期一半的涌浪時未發(fā)生參數(shù)橫搖，而遭遇與其橫搖固有周期接近的涌浪時發(fā)生諧搖是導致其橫搖運動過大的原因。研究成果與相應的氣象資料結合，可為鋪管船施工氣候窗口的選擇提供依據(jù)。

涌浪；鋪管船；橫搖；模型試驗；運動特征；海洋石油201號；東海

Abstract: The pipelay vessels such as ‘HAI YANG SHI YOU 201’. were seriously affected by the low frequency swells in the East China Sea, and the rolling amplitude was too large to lay pipeline normally. In order to analyse the reason, two conditions, parametric rolling, and synchronous rolling, which might be the cause of dramatic rolling were analyzed theoretically and model tests of pipelay vessel ‘HAI YANG SHI YOU 201’ with heading angles of 0°,30°,60° and 90° in swells with different periods and wave heights were carried out respectively. The test data proves that the reason for the dramatic rolling is not parametric rolling which does not occur when swells’ period is equal to approximately half the natural rolling period, but synchronous rolling will happen when swells’ period nears barge’s natural rolling period. The research results combined with meteorological data can provide a basis for the choice of construction climate.

Keywords: swells; pipelay vessel; rolling; model test; motion feature; HAI YANG SHI YOU 201; the East China Sea

鋪管船是海底管道鋪設的重要施工裝備，多數(shù)鋪管法需要將分段的油氣管道在鋪管船上焊接，因此對鋪管船的穩(wěn)性提出了較高要求，鋪管施工時若鋪管船運動幅值過大會影響鋪管施工質量甚至危及船舶和設備安全[1]。在近期進行的東海大開發(fā)中，東海海域的低頻涌浪環(huán)境對“海洋石油201”號等多艘鋪管船產(chǎn)生了嚴重影響，在海上天氣晴朗、風速較低和波高不大的情況下，根據(jù)天氣預報及實際天氣情況判斷應當滿足施工條件，但鋪管船橫搖運動卻十分強烈，嚴重影響了海底管道的正常鋪設安裝，造成鋪管船海上待機時間和施工費用大大增加。

為了分析鋪管船橫搖過大的原因，以采取相應的工程對策來減緩橫搖，避免橫搖過大鋪管船無法施工造成海上待機時間過長甚至影響船舶和設備的安全，有必要對鋪管船在涌浪環(huán)境中的運動特征特別是橫搖進行研究。通過在麗水、黃巖區(qū)塊布置測點監(jiān)測該區(qū)域涌浪特征，并對已有氣象資料進行分析得到該海域涌浪的周期特征；理論上分析了涌浪環(huán)境中鋪管船可能發(fā)生較大橫搖的兩種工況，分別是鋪管船發(fā)生參數(shù)橫搖和諧搖兩種狀態(tài)；針對上述兩種工況分別對“海洋石油201”號鋪管船處于不同航向角時在不同波高規(guī)則波中的運動特征進行了模型試驗，得到了一些有益的結論。

鋪管船及鋪管設備投資消耗巨大，如“海洋石油201”號的研制歷時7年，從開工建造到交船歷時43.5個月，投資約30億元，使用成本也非常昂貴，在海上一旦橫搖過大無法施工甚至損壞設備將造成巨大的經(jīng)濟損失。本文研究成果與涌浪監(jiān)測資料結合，可為鋪管船施工氣候窗的選擇提供依據(jù)，海底管道鋪設時選擇適合的海況出海，可大幅提高鋪管船的運動性能和可作業(yè)率，減輕鋪管船海上待機造成的損失。

1 東海海域涌浪特點

海浪是船舶在海上產(chǎn)生搖蕩運動的最主要因素，通常以風浪和涌浪混合的形式存在[2]。風浪是由風產(chǎn)生并一直處于風的作用下的波浪，主要特點是周期較小，波峰尖削；而涌浪可能是由別處的風引起的風浪傳播而來，也可能是風停止或削弱或改變了原來風向而形成，特點是周期較大，波面平坦光滑，波長數(shù)百米的涌浪在海上甚至難以發(fā)覺?！昂Ｑ笫?01”號鋪管船在東海海域施工發(fā)生強烈橫搖運動時該海域風速較低，風浪并不明顯，而波浪監(jiān)測結果顯示該海域存在低頻涌浪成分，鋪管船橫搖運動很可能是由于涌浪引起。

我國東海海域東臨太平洋且自身海域較開闊，海域內的涌浪既可能從西北太平洋傳來也可能因局地風速、風向突變由局地的風浪轉化形成。西北太平洋涌浪生成區(qū)(包括黃海、日本海、日本以南洋面、臺灣海峽、臺灣及巴士海峽以東洋面、菲律賓以東洋面等)在冷空氣和熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)作用下形成的波浪脫離風區(qū)傳至東海是該海域涌浪重要的成因，另外東海氣旋等快變天氣過程中風速、風向迅速改變后局地的風浪也可能轉變?yōu)橛坷恕?/p>

圖1 東海與東太平洋涌浪頻率分布Fig. 1 Frequency distribution of swell in the East China Sea and the East Pacific Ocean

在麗水、黃巖區(qū)塊布置測點，對該區(qū)域涌浪進行了12個月的監(jiān)測，并將測得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計[3]，發(fā)現(xiàn)有效波高周期主要集中在3～5 s區(qū)間，出現(xiàn)頻率在90%左右；周期為8 s以上的涌浪在10%以下，而周期超過10 s的涌浪只占到0.01%左右。將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并與東太平洋波浪進行比較，如圖1所示，可知與東太平洋相比，東海長周期波比例明顯偏少。

同時，文獻[3]收集和整理了東海區(qū)域1983-2013年共計30年的氣象資料，認為涌浪周期主要分布在14 s以內，周期10 s以上涌浪出現(xiàn)可能性仍然較大。因此，主要對該周期范圍內涌浪造成的鋪管船運動進行研究。

2 船舶參數(shù)激勵橫搖原理

船舶橫浪時遭遇周期接近其橫搖固有周期的海浪時發(fā)生諧搖，此時橫搖可能達到很大值，是船舶航行中比較危險的情況。船舶航向角的改變可以改變波浪的遭遇周期，因此可以通過調整航向角減緩橫搖。但阻尼較小的船舶在頂浪或接近頂浪的情況下，當遭遇特定頻率的波浪時，仍可能產(chǎn)生較大橫搖，這種現(xiàn)象稱為參數(shù)激勵橫搖。船舶參數(shù)激勵橫搖的數(shù)學模型可用考慮非線性阻尼力矩與非線性復原力矩的聯(lián)合影響橫搖方程建立：

式中：b1、b2是阻尼系數(shù)，c(φ,t)是復原力矩，M(ωe,t)是擾動力矩，隨遭遇波浪的頻率和時間變化。

考慮線性阻尼—線性復原力矩的情況，將復雜的非線性問題進行一定簡化，這時b2=0，c是時間的函數(shù)，式(1)可取為：

迎浪情況下，擾動力矩M0=0，此時式(4)為

該方程即為Mathieu方程，特點是在無阻尼的情況下，當頻率為某些值的時候，橫搖角趨于無窮大，實際中由于阻尼的存在，方程的解在上述頻率處由無窮大的解減為某一較大的橫搖角，這些頻率對應的周期：

式中：Tφ為船舶橫搖固有周期。

Paulling和Rosenberg[5]、Nayfeh[6]在運動分析中考慮實際的船體濕表面的影響，采用橫穩(wěn)心高度諧波變化來近似表示非線性恢復力矩，得到和Mathieu方程相似的結果，該結果可以解釋船舶遭遇特定周期的波浪時橫搖運動顯著的現(xiàn)象。當橫搖角較大，需要考慮阻尼和復原力矩的非線性時，便需要以方程(1)的形式建立更為復雜的非線性方程。由于建立精確的非線性方程非常困難，研究人員根據(jù)試驗結果，加入定性考慮的因素，認為參數(shù)激勵橫搖地發(fā)生需同時滿足如下條件[7-9]：遭遇海浪周期與船舶橫搖固有周期滿足T/Tφ=n/2，n為整數(shù)；船舶運動和海浪引起的橫穩(wěn)心高度周期變化較大；橫搖阻尼較低。

理論上，參數(shù)激勵橫搖包括船舶遭遇波浪周期等于其橫搖固有周期的1/2倍、1倍、3/2倍等情況，但目前只觀察到遭遇波浪周期等于橫搖固有周期的1/2倍和1倍的情況，對于遭遇波浪周期等于橫搖固有周期的情況也就是普通的共振諧搖發(fā)生的條件，遭遇波浪周期等于橫搖固有周期的1/2倍時發(fā)生橫搖的現(xiàn)象常稱為參數(shù)橫搖，因此這里重點對鋪管船遭遇涌浪周期等于其橫搖固有周期的1/2倍和1倍的情況展開試驗研究。

3 鋪管船運動特性模型試驗設計

本次試驗以“海洋石油201”號起重鋪管船為目標船型，該船是我國第一艘深水鋪管船，定位方式為動力定位，作業(yè)水深可達3 000 m，同時具備起重功能，設有全回轉起重能力3 500 t的重型起重機[10]。鋪管船待命時航速為零，鋪管時航速也很小，因此對鋪管船航速為零情況下遭遇特定周期的規(guī)則波時的運動特性進行模型試驗研究。

3.1 鋪管船模型設計

根據(jù)試驗水池的造波能力、測試儀器的安裝和模型在水池的布放等，確定模型縮尺比為1∶80，并考慮海水與試驗水池淡水的密度之比為γ=1.025。鋪管船模型水下和水上線型、重心位置等線性尺度均與實船幾何相似，此外保證模型與實船的Froude數(shù)與Strouhal數(shù)相等，由于鋪管船作業(yè)時速度很小可以忽略不計，模型試驗時鋪管船航速為零。模型采用玻璃鋼制成，加工的模型空船重量控制在35 kg左右，以滿足配重法調整模型重心位置和慣量的需要。

試驗選定鋪管船攜帶10%管道出港工況進行研究，由此確定的模型與相應實船的主要參數(shù)如表1所示。試驗中調整模型處于正浮狀態(tài)，模型的型線圖和調整就位的模型如圖2所示。

表1 鋪管船模型主要參數(shù)Tab. 1 Main data of the scale model of the pipelay vessel

圖2 “海洋石油201”船體模型示意Fig. 2 Body plan of the pipelay vessel

3.2 試驗方案

試驗在船模試驗水池進行，該水池尺寸為137 m×7 m×3 m(長×寬×深)，水池一端安裝了消波裝置，另一端為搖板式造波機。浪高儀布置在距造波機約30 m處，鋪管船模型布置在距造波機約35 m處，浪高儀和鋪管船模型均布置在水池寬度方向的中央位置。造波機制造不同周期和波高的規(guī)則波，模擬鋪管船在實際海況中所處的低頻涌浪環(huán)境。

根據(jù)東海涌浪的周期特點，該海域存在具有使鋪管船發(fā)生參數(shù)橫搖和諧搖特征的涌浪，因此分別進行波浪周期T=Tφ和T=0.5Tφ，不同波高條件下的模型試驗，其中涌浪的周期和波長的關系可根據(jù)色散方程得到：

不同試驗條件下鋪管船模型六個自由度的運動采用非接觸式運動姿態(tài)測量系統(tǒng)進行測量，該系統(tǒng)基于可視光測量原理，通過光線的聚焦來對目標體進行定位與測量，使用時無需在目標物上布置陀螺儀、位移傳感器等直接用于運動測量方面的傳感器，具有無干擾、精度高、便于操作等特點。

船舶在波浪中可能產(chǎn)生六個自由度的搖蕩運動，其中垂蕩、橫搖和縱搖是由于恢復力或恢復力矩作用產(chǎn)生的以平衡位置為中心的周期性搖蕩運動，鋪管船在海上作業(yè)時需要具備一定的運動衡準，該衡準多以橫搖和縱搖為指標，“海洋石油201”采用的鋪管船可作業(yè)運動衡準是：1)橫搖角小于2.5°；2)縱搖角小于2°。

4 試驗內容和結果

4.1 鋪管船模型迎浪條件試驗

首先進行鋪管船模型迎浪條件下的試驗，試驗內容如表2所示。

表2 鋪管船模型迎浪條件試驗內容Tab. 2 Test contents of model in longitudinal waves

鋪管船模型橫搖固有周期為1.40 s，遭遇波長3 m、周期1.39 s波浪時對應T=Tφ工況;遭遇波長0.8 m、周期0.71 s波浪時對應T=0.5Tφ工況;作為對比，同時進行遭遇波長6 m、周期1.96 s波浪的工況，此時T=1.4Tφ。

上述試驗監(jiān)測到鋪管船模型最大艏搖幅值約為2.5°，最大橫蕩幅值約為1 mm，最大縱蕩幅值約為9 mm，鋪管船模型在該三個自由度運動均不明顯，試驗得到鋪管船模型垂蕩、縱搖和橫搖運動幅值如表3所示。

表3 迎浪工況諧搖和參數(shù)橫搖條件下鋪管船運動幅值Tab. 3 Experimental motion results of model in longitudinal waves

由表3可知，隨試驗涌浪波長增大，鋪管船模型垂蕩幅值逐漸增大；試驗波長接近模型長度時鋪管船模型縱搖幅值較大，符合一般規(guī)律，且未超出鋪管船可作業(yè)運動衡準。

鋪管船模型遭遇周期為T=0.5Tφ涌浪時未發(fā)生參數(shù)橫搖，橫搖運動不顯著，可能是由于鋪管船船型較為特殊，相比集裝箱船、驅逐艦等船型，鋪管船船中體較長，外傾較小，遭遇波浪時水線面系數(shù)變化較小，鋪管船橫穩(wěn)心高度等參數(shù)周期性變化不明顯。此外，F(xiàn)rancescutto[9]曾對一艘驅逐艦進行試驗，認為參數(shù)橫搖的發(fā)生還需要船舶具有一定的航速。

鋪管船模型遭遇與其橫搖固有頻率接近的波浪時發(fā)生諧搖，橫搖運動明顯加劇，遠大于參數(shù)橫搖波浪條件下運動幅值兩種波高下試驗結果都超出了鋪管船可作業(yè)運動衡準，而遭遇涌浪的周期不在諧搖區(qū)(T=1.4Tφ)時橫搖亦不明顯，說明鋪管船遭遇與其橫搖固有頻率接近的波浪時發(fā)生諧搖是其在東海橫搖劇烈的原因。

4.2 鋪管船模型橫浪和斜浪條件試驗

進一步進行鋪管船模型遭遇周期T=Tφ涌浪，鋪管船模型發(fā)生諧搖條件下的試驗。該涌浪周期條件下，分別進行鋪管船模型橫浪(航向角90°)和斜浪(航向角30°和60°)工況下的試驗；作為對比，同時進行鋪管船模型遭遇涌浪的周期為1.96 s，即T=1.4Tφ條件下的試驗，該涌浪周期遠離其橫搖固有周期，已超出諧搖區(qū)范圍，可認為鋪管船模型已不會發(fā)生諧搖，鋪管船模型航向角如圖3所示，試驗內容如表4所示，試驗得到鋪管船模型六個自由度運動幅值隨航向角變化如圖4所示。

圖3 鋪管船模型航向角示意Fig. 3 Course angle of scale model

編號航向角/(°)涌浪波長涌浪波高涌浪周期實際海況/m模型/m實際海況/m模型/cm實際海況/s模型/s13024032.4312.41.3923024034.0512.41.3933048062.4317.51.9646024032.4312.41.3956024034.0512.41.3966048062.4317.51.9679024032.4312.41.3989024034.0512.41.3999048062.4317.51.96

橫搖是影響鋪管船作業(yè)的最主要因素，由圖4可知：鋪管船模型遭遇涌浪的周期不在諧搖區(qū)時橫搖幅值很??；鋪管船模型遭遇涌浪周期接近其橫搖固有周期時橫搖運動劇烈；隨航向角變化鋪管船模型由橫浪轉向迎浪過程中，橫搖角幅值逐漸減小，鋪管船模型迎浪時橫搖幅值最小。試驗波高3 cm時最大橫搖角約為3.9°；試驗浪高5 cm時最大橫搖角約5.5°，鋪管船模型橫浪時橫搖運動最劇烈；試驗波高3 cm時橫搖角幅值約為14°；試驗浪波高5 cm時橫搖角幅值約為18°，模型顯著的橫搖運動如圖5所示。一旦鋪管船遭遇與其橫搖固有周期接近的涌浪發(fā)生諧搖，模型處于不同航向角時都橫搖角幅值都會超出鋪管船可作業(yè)運動衡準，影響鋪管作業(yè)和設備安全。

圖5 鋪管船模型橫浪諧搖時橫搖運動Fig. 5 The dramatic rolling motion of scale model in synchronous rolling

此外，鋪管船模型處于不同航向角時艏搖幅值均不大；縱搖幅值隨航向角變化不大，基本在可作業(yè)運動衡準范圍內；橫浪時橫蕩較迎浪時顯著增大，縱蕩迎浪時較橫浪時顯著增大。

5 結 語

從理論上分析了鋪管船可能發(fā)生較大橫搖的兩種工況，分別是鋪管船遭遇波浪周期等于橫搖固有周期的1/2倍和1倍，為了分析鋪管船橫搖過大的原因，針對東海海域涌浪特點，分別對“海洋石油201”號鋪管船在周期分別為T=Tφ和T=0.5Tφ的不同波高規(guī)則波作用下迎浪時的運動特征進行了模型試驗。試驗結果表明鋪管船模型遭遇周期T=0.5Tφ涌浪時未發(fā)生參數(shù)橫搖，橫搖運動不顯著，而遭遇與其橫搖固有周期接近(T=Tφ)的涌浪時發(fā)生諧搖是鋪管船橫搖運動過大的原因。

進一步對鋪管船模型遭遇周期T=Tφ涌浪發(fā)生諧搖時，航向角分別為0°、30°、60°和90°時的運動特征進行了模型試驗。鋪管船模型遭遇周期T=Tφ涌浪發(fā)生諧搖時橫搖幅值明顯增大；隨航向角變化鋪管船模型由橫浪轉向迎浪過程中，橫搖角幅值逐漸減??；鋪管船模型不同航向角時橫搖角幅值都超出了鋪管船可作業(yè)運動衡準范圍，影響鋪管作業(yè)和設備安全。

我國現(xiàn)行海浪分級方法未考慮涌浪的周期(或頻率)因素，且涌浪的低頻成分在海上難以發(fā)覺，建議在海上施工海域監(jiān)測涌浪周期特征，確定海上施工作業(yè)氣候窗口時增加涌浪周期(或頻率)因素作為鋪管船出海的依據(jù)，當監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該海域存在與鋪管船橫搖固有周期相近的涌浪時，鋪管船應延緩出海作業(yè)，以減少鋪管船海上待機造成的損失。同時建議工程船舶設計時考慮其作業(yè)海域波浪的周期(或頻率)特點，根據(jù)作業(yè)海域進行針對性設計使其運動固有周期盡可能遠離該海域波浪周期分布范圍。

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Mechanism and model test research of pipelay vessel rolling affected by swells

YAN Shuwang1, LI Jia1, LEI Zhenming2, SUN Liqiang1, CHEN Guofeng1, TAO Lin1

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. China Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China)

1005-9865(2016)04-0016-07

U661.32；P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.003

2015-06-26

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金(51021004)

閆澍旺(1950- )，男，天津人，博士生導師，主要從事海洋工程方面的研究。E-mail: yanshuwang@tju.edu.cn