駱寒冰 劉玉廷 謝 芃 白曉東

（1.天津大學(xué)船舶與海洋工程系 天津 300072； 2.天津大學(xué)港口與海洋工程天津市重點實驗室 天津 300072）

近年來，隨著我國深海大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，海洋平臺組塊吊裝施工項目越來越多。東海海洋環(huán)境極為復(fù)雜，海浪通常都以風(fēng)浪和涌浪共存的混合波浪形式存在。風(fēng)浪由當(dāng)?shù)睾Ｓ蝻L(fēng)產(chǎn)生，主要特點是周期比較??；涌浪是由風(fēng)減小或轉(zhuǎn)向?qū)е禄蚴菑钠渌Ｓ騻鱽淼牟ɡ?，其周期較大。復(fù)雜的涌浪環(huán)境嚴(yán)重影響了組塊的吊裝施工安全和效率，因此，開展東海復(fù)雜涌浪海況下起重船吊裝組塊耦合運動響應(yīng)的研究工作具有重大意義。

對于東海的復(fù)雜涌浪環(huán)境，國內(nèi)學(xué)者已進行一些研究，如輝固環(huán)球海洋科學(xué)與環(huán)境有限公司[1]對東海海域春曉油田、平湖油田及孔雀亭油田的氣象數(shù)據(jù)的規(guī)律性進行了研究，發(fā)現(xiàn)東海海域的波浪中同時存在短周期風(fēng)浪和長周期涌浪；朱紹華等[2]基于低頻分譜和高頻分譜疊加的思想，提出了一種混合海浪譜的表達式。

起重船吊裝作業(yè)涉及系泊系統(tǒng)、起重船、吊纜、上部組塊等，屬于復(fù)雜的耦合系統(tǒng)問題。國內(nèi)外對于系泊起重船在吊裝作業(yè)過程中耦合運動響應(yīng)的研究不多，而采用模型試驗手段進行的研究更是寥寥無幾。Li等[3]利用SIMO軟件對風(fēng)機基礎(chǔ)吊裝下放到水中的整個過程進行了時域數(shù)值模擬。許鑫等[4]采用數(shù)值模擬和模型試驗的方法研究了半潛式起重船空勾和最大起重時在波浪作用下的運動性能。駱寒冰等[5]采用MOSES軟件對頂浪規(guī)則波下“藍鯨”號起重船-組塊的耦合運動響應(yīng)進行了數(shù)值模擬分析。Zhu等[6]通過模型實驗，研究了規(guī)則波及不規(guī)則波中“藍鯨”號起重船及吊裝組塊耦合系統(tǒng)的運動響應(yīng)機理。任會禮等[7]通過數(shù)值模擬研究了吊索速度及激勵頻率等對吊物動力響應(yīng)的影響。黃宣軍等[8]研究了吊裝和未吊裝狀態(tài)下起重船的運動響應(yīng)。Ha等[9]研究了起重船在吊裝FLNG上部組塊時，吊索的受力和起重船的運動，并對比了主動和被動垂蕩運動補償系統(tǒng)的影響[10]。綜上所述，目前關(guān)于模擬涌浪環(huán)境下起重船吊裝組塊響應(yīng)的模型試驗研究尚鮮有報道。

本文在研究東海復(fù)雜涌浪環(huán)境資料的基礎(chǔ)上，采用雙峰譜不規(guī)則波模擬涌浪，針對“藍鯨”號起重船對3 000 t組塊進行首吊作業(yè)工況，在天津大學(xué)港口工程水池開展了模型試驗研究，重點討論了不同吊高下單峰譜和雙峰譜不規(guī)則波模擬涌浪環(huán)境中起重船和上部組塊的耦合運動響應(yīng)特性，分析了雙峰譜中涌浪成分對船舶及吊裝組塊的運動影響，以期為涌浪環(huán)境下大型起重船吊裝組塊施工作業(yè)提供參考。

1 模型試驗布置及參數(shù)選取

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

“藍鯨”號起重船隸屬海洋石油工程股份有限公司，最大起吊能力為尾吊7 500 t，全回轉(zhuǎn)4 000 t，最常見的起吊方式為首吊。起重船的系泊系統(tǒng)包括8根鋼纜，船舶首尾左右舷各布置2根（圖1）。

圖1 “藍鯨”號起重船系泊布置Fig.1 Mooring line arrangement of“Lanjing”crane vessel

起重船吊裝組塊試驗?zāi)Ｐ桶ㄏ挡聪到y(tǒng)-“藍鯨”號起重船-吊纜-吊物（上部組塊）組成的整個耦合系統(tǒng)。模型試驗所用試驗水池尺寸為55 m×40 m×1.8 m（長×寬×深）。模型縮尺比1∶60，試驗水深1.33 m，模擬施工作業(yè)海域水深80 m。船舶模型采用玻璃鋼材加工制作，上部組塊采用PVC板焊接制作。模型吊機系統(tǒng)可通過改變吊桿角度和吊纜長度調(diào)整吊物的高度。為了覆蓋整個吊裝作業(yè)過程中組塊的最高和最低高度，試驗選取了2個吊高（組塊重心高度）：48 m和25 m，實船及模型主要參數(shù)見表1。運動響應(yīng)測試采用加拿大NDI Optotrak Certus三維動態(tài)測量系統(tǒng)，精度為0.3 mm。系泊拉力采用威思特公司的VS16微小型拉力傳感器，量程為2 kg，精度為2 g。模型試驗測試了船舶和組塊的6個自由度運動、波浪波高、錨纜系泊力等參數(shù)，采樣頻率為50 Hz。模型水池試驗布置情況如圖2所示。

表1 “藍鯨”號起重船吊裝組塊主要參數(shù)Table1 Main parameters of the“Lanjing”crane vessel lifting topside

圖2 模型水池試驗布置情況Fig.2 Pool test arrangement of the model

1.2 耦合系統(tǒng)靜水特性

對模型系泊系統(tǒng)進行了總體剛度曲線測試，得到的縱向位移剛度曲線結(jié)果如圖3所示，所有數(shù)值都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為實船尺度。

圖3 “藍鯨”號起重船系泊系統(tǒng)剛度曲線Fig.3 Stiffness curve of the“Lanjing”crane vessel mooring system

通過靜水自由衰減試驗得到船舶各方向運動的固有周期參數(shù)（表2）。此外，為了研究上部組塊的運動特性，還進行了上部組塊的自由衰減運動試驗，得到其縱蕩運動的固有周期：吊高48 m時為17.4 s，吊高25 m時為19.8 s。

表2 “藍鯨”號起重船固有周期Table2 Natural periods of the“Lanjing”crane vessel

1.3 東海涌浪環(huán)境參數(shù)

基于輝固環(huán)球海洋科學(xué)與環(huán)境有限公司[1]提供的東海相關(guān)海域涌浪數(shù)據(jù)資料，選擇模型試驗的涌浪參數(shù)。該波浪數(shù)據(jù)采用SWAN模型，通過數(shù)值模擬得到，包括全年各月的波高和周期等統(tǒng)計結(jié)果。其中，SWAN模型是由荷蘭代爾夫特大學(xué)土木工程系開發(fā)、維護的。徐福敏等[11]利用SWAN模型模擬分析了東海長江口海域臺風(fēng)浪分布情況，并與觀測數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了采用SWAN模型模擬中國東海波浪的可行性。模擬結(jié)果顯示一年中5月份的波高統(tǒng)計結(jié)果最小，這與實際施工經(jīng)驗相吻合，因此選擇5月份的波浪統(tǒng)計結(jié)果進行分析，如圖4所示。圖中表格中間數(shù)字代表某個波高和周期組合波浪出現(xiàn)的概率百分?jǐn)?shù)?？v坐標(biāo)中“Total”表示某個周期下所有波高波浪出現(xiàn)的概率，橫坐標(biāo)中“Total”表示某波高下所有周期波浪出現(xiàn)的概率，“Exceed”表示不小于該波高的所有周期波浪出現(xiàn)的概率。可以看出，5月份波高不大，超過1.5 m波高的概率為10.68%，不過有超過12 s長周期波浪出現(xiàn)。

單峰譜不規(guī)則波采用JONSWAP譜[12]，如式（1）所示：

圖4 東海某施工點5月份波浪波高周期分布Fig.4 Distribution of wave height and period in the East China Sea in May

式（1）中：S（ω）為波浪的能量，m2·s；β=0.391 95×（1.094-0.019 15lnγ）／[0.230+0.0336γ-0.185×（1.9+γ）-1]；γ為譜峰因子，取3.3；ωp為譜峰頻率，rad／s；ω為波浪圓頻率，rad／s；H為1／3的有義波高，m；σ為峰形參數(shù)，當(dāng)ω≤ωp時，σ=0.07；ω＞ωp時，σ=0.09。

雙峰譜不規(guī)則波采用2個JONSWAP譜疊加的形式進行模擬，即

式（3）、（4）中：ωp1、ωp2分別為2個波浪成分的譜峰頻率，rad／s；H1、H2分別為2個波浪成分的有義波高，m。

根據(jù)上述5月份數(shù)據(jù)，結(jié)合東海工程施工經(jīng)驗，分別選取單峰譜不規(guī)則波和雙峰譜不規(guī)則波來模擬東海涌浪海洋環(huán)境。單峰譜不規(guī)則波譜峰周期選取8、11 s，有義波高為1.5 m。雙峰不規(guī)則波譜在單峰波周期基礎(chǔ)上再增加16 s譜峰周期的長峰波作為涌，合成有義波高為1.5 m。模型水池試驗波浪工況見表3。

表3 模型試驗波浪工況Table3 Wave conditions in the model tests

2 單譜峰波浪與雙譜峰涌浪下耦合系統(tǒng)運動響應(yīng)頻譜特性分析

2.1 單峰譜波浪下耦合系統(tǒng)運動響應(yīng)頻譜特性分析

選擇試驗波浪工況1，頂浪、吊高48 m，對單峰譜波浪中系泊系統(tǒng)-起重船-吊纜-上部組塊組成的耦合系統(tǒng)運動響應(yīng)進行分析，得到了起重船縱蕩、升沉、縱搖和組塊的縱蕩、升沉運動譜分析結(jié)果（圖5），及各自由度運動的譜峰頻率（表4）。

分析圖5，可以看出：

1）起重船縱蕩運動的主要能量集中在頻率0～0.1 rad／s，這表明縱蕩運動主要是由系泊起重船二階慢漂力引起的低頻運動，高頻運動成分很少；

圖5 單峰波浪下“藍鯨”號起重船和上部組塊運動譜分析結(jié)果Fig.5 Motion responses spectrum analysis of“Lanjing”crane vessel and topside in single peak wave

表4 單峰譜波浪作用下“藍鯨”號起重船和上部組塊運動響應(yīng)譜譜峰頻率Table4 Peak frequency of“Lanjing”crane vessel and topside response spectrum in single peak waves

2）上部組塊縱蕩運動的主要能量集中在頻率0～0.1 rad／s，與起重船縱蕩運動相同，但還包含很小部分頻率在0.3～0.4 rad／s的成分，上部組塊的縱蕩固有頻率在該區(qū)間內(nèi)，此外還有很小部分處于0.5～0.8 rad／s的波浪頻率范圍，表明上部組塊縱蕩運動主要是由低頻運動以及小部分固有頻率和波浪頻率的高頻運動組成的；

3）起重船的升沉、縱搖以及上部組塊升沉運動的能量譜分布形式相似，主要能量分布在頻率0.5～0.8 rad／s，這3個運動主要是由波浪引起的高頻運動響應(yīng)。

2.2 雙峰譜涌浪下耦合系統(tǒng)運動響應(yīng)頻譜特性分析

選擇試驗波浪工況3，頂浪、吊高48 m，對雙峰譜涌浪中系泊系統(tǒng)-起重船-吊纜-上部組塊耦合系統(tǒng)的運動響應(yīng)進行分析。圖6為雙峰譜涌浪的時域曲線及其譜分析結(jié)果，其中右邊大峰部分為譜峰周期8 s的風(fēng)浪，左邊小峰部分為譜峰周期16 s長周期的涌，涌所占的能量小于風(fēng)浪的能量。圖7為船舶和組塊運動的時域曲線及其譜分析結(jié)果。表5給出了各自由度運動的譜峰頻率。

分析圖6、7，可以看出：

圖6 雙峰譜不規(guī)則波時域曲線及其譜分析結(jié)果Fig.6 Time-displacement and spectrum analysis of double peak spectrum waves

圖7 雙峰譜涌浪下“藍鯨”號起重船和上部組塊運動時域曲線及其譜分析結(jié)果Fig.7 Motion responses time-displacement and spectrum analysis of“Lanjing”crane vessel and topside in double peak waves

表5 雙峰譜涌浪工況下耦合系統(tǒng)運動響應(yīng)譜譜峰頻率Table5 Peak frequency of the coupling system response spectrum in double peak waves

1）起重船縱蕩運動的能量主要集中在0～0.1 rad／s及0.3～0.4 rad／s這2個頻率區(qū)間，低頻部分是由系泊起重船的二階慢漂運動引起的，高頻部分主要是由雙峰譜中長周期涌導(dǎo)致船舶運動引起的，低頻、高頻兩部分能量相當(dāng)。而圖5中單峰譜波浪下船舶縱蕩運動，主要是低頻成分的，高頻成分很少。相對比，雙峰譜情況下，高頻部分能量增加明顯；

2）上部組塊縱蕩運動的主要能量集中在頻率0.3～0.4 rad／s，譜能量的數(shù)量級遠(yuǎn)大于其他運動以及單峰譜中的船舶及上部組塊運動的，與圖5中單峰譜波浪下上部組塊縱蕩運動相對比，0～0.1 rad／s的低頻部分所占的比例少多了。分析其原因，主要是雙峰譜中長周期涌的譜峰周期16 s接近上部組塊自振周期17.4 s，上部組塊縱蕩運動增大，導(dǎo)致高頻譜能量增加；

3）起重船的升沉、縱搖以及上部組塊升沉運動的能量譜形式分布相似，主要能量分布在0.3～0.4 rad／s頻率區(qū)間，是由長周期涌所引起的運動。有小部分能量分布在0.7～0.8 rad／s頻率區(qū)間，是由短周期風(fēng)浪所引起的運動?？梢?，盡管在雙峰譜涌浪中長周期涌的能量成分相對于短周期風(fēng)浪的能量來說很小，但是起重船的升沉、縱搖以及上部組塊升沉運動主要是由長周期涌浪成分引起，而不是短周期風(fēng)浪所引起。

3 試驗結(jié)果統(tǒng)計分析

對上述單峰波浪和雙峰譜涌浪下試驗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，組塊有2個吊高，共有8個試驗工況?？紤]到浪向為頂浪，表6中給出了縱向運動響應(yīng)的有義值（峰峰值），包括起重船的縱蕩、升沉、縱搖和上部組塊的縱蕩、升沉運動。

起重船吊裝施工作業(yè)時，最關(guān)心的是上部組塊的運動響應(yīng)情況。從表6中可以看出：①隨著風(fēng)浪周期增大，即從8 s到11 s，不管是單峰譜還是雙峰譜波浪工況，上部組塊運動都呈現(xiàn)增大的趨勢；②隨著吊高（組塊重心距離水面高度）增高，即從25 m提升到48 m，縱蕩自振周期從19.8 s減小到17.4 s，上部組塊縱蕩運動呈現(xiàn)增大的趨勢。主要原因是吊高增高，上部組塊自振周期減小，波浪譜峰周期更接近自振周期，從而使上部組塊縱蕩運動變大；③當(dāng)考慮涌影響，即采用雙峰譜涌浪時候，上部組塊縱蕩運動明顯比單峰譜波浪時候的要大。例如，工況1、2中吊高為25、48 m時，上部組塊縱蕩僅為0.57、0.58 m；而考慮涌影響，工況5、6中吊高為25、48 m，上部組塊縱蕩增大到4.38、9.96 m，增幅分別為668%、1 617%；④根據(jù)Nobel Denton指導(dǎo)性手冊[13]所推薦的上部組塊吊裝安全施工的衡準(zhǔn)要求，即水平運動不超過±1.5 m，垂向運動不超過±0.75 m時可進行作業(yè)，試驗統(tǒng)計結(jié)果表明，工況1、2具備安全作業(yè)條件，而當(dāng)風(fēng)浪周期增大到11 s，或者存在長周期涌浪情況下，即使有義波高1.5 m不變，也不建議吊裝施工作業(yè)。

表6 單譜峰波浪和雙譜峰涌浪工況下耦合系統(tǒng)運動響應(yīng)模型試驗統(tǒng)計結(jié)果Table6 Statistical results of coupling system motions responses in single peak waves and double peak

4 結(jié)論及建議

針對東海涌浪環(huán)境下系泊系統(tǒng)-“藍鯨”號起重船-吊纜-上部組塊組成的耦合系統(tǒng)，開展了運動響應(yīng)模型試驗研究，分析了涌浪對起重船吊裝組塊作業(yè)的影響，揭示了耦合響應(yīng)機理，可以得到以下結(jié)論：

1）對于起重船的縱蕩運動，單峰譜時二階波浪力引起的低頻運動為主要成分，雙峰譜時長周期涌高頻運動成分明顯增加，與低頻運動成分相當(dāng)；對于上部組塊的縱蕩運動，單峰譜時二階波浪力引起的低頻運動為主要成分，雙峰譜時長周期涌頻率的高頻運動為主要成分，而低頻運動成分很少；對于起重船的升沉、縱搖以及上部組塊的升沉運動，單峰譜時主要為波浪高頻率運動成分，雙峰譜時主要為長周期涌高頻率運動成分，而短周期波浪高頻率運動成分很少。

2）涌的長周期容易接近上部組塊的縱蕩自振周期，會引起上部組塊的縱蕩共振，導(dǎo)致上部組塊縱蕩運動劇烈，即使在雙峰譜波浪中的長周期涌浪能量占的比例很小，上部組塊運動也會顯著增大，不能滿足安全作業(yè)要求。因此，在現(xiàn)場吊裝大型組塊時建議實時監(jiān)測海浪狀況，注意波浪中長周期涌成分及其對上部組塊運動的影響。