羅瑞鋒，黃曌宇

(上海振華重工(集團(tuán))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(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要施工設(shè)備。

起重船和鋪管船水動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)。任會(huì)禮[3]建立錨泊起重船整體系統(tǒng)的剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(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(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析不同吊索長(zhǎng)度對(duì)船橫搖和吊鉤運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)備狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)性能。陳永訢等[6]對(duì)鋪管船作業(yè)工況進(jìn)行數(shù)值分析，研究托管架對(duì)鋪管船水動(dòng)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(duì)該狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。閆宏生等[8]進(jìn)行船體、托管架及管線三者耦合狀態(tài)下的水動(dòng)力性能分析。

這些研究大多對(duì)起重船起重工況或鋪管船鋪管工況進(jìn)行單獨(dú)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(jìn)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(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，相應(yīng)地托管架對(duì)整船水動(dòng)力性能的影響也愈加顯著。對(duì)于起重功能來(lái)說(shuō)，船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)引起的吊物擺動(dòng)會(huì)進(jìn)一步增加船體的運(yùn)動(dòng)幅度，進(jìn)而對(duì)起重作業(yè)產(chǎn)生巨大的不利影響。因此，托管架和起重機(jī)聯(lián)合工作狀態(tài)下的水動(dòng)力性能研究勢(shì)在必行。

本文以某起重鋪管船為研究對(duì)象，對(duì)比分析托管架與起重機(jī)聯(lián)合工作狀態(tài)下在頻域范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(shì)流理論及莫里森公式

對(duì)船體部分進(jìn)行基于三維勢(shì)流理論[9]的頻域內(nèi)水動(dòng)力載荷分析：

Δ(Φi+Φd+Φr)=0

(1)

式中：Φi為入射勢(shì)；Φd為繞射勢(shì)；Φr為輻射勢(shì)，由Φr可得到船體勢(shì)流附加質(zhì)量和船體勢(shì)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(wú)關(guān)。

對(duì)于構(gòu)成托管架的細(xì)長(zhǎng)桿件，采用半經(jīng)驗(yàn)的莫里森公式進(jìn)行水動(dòng)力載荷分析：

Fm=Fd+Fi

(2)

式中：Fm為細(xì)長(zhǎng)桿件波浪載荷；Fd為拖曳力，為非線性項(xiàng)；Fi為慣性力，為線性項(xiàng)，可分為波浪慣性激勵(lì)力和桿件附加質(zhì)量慣性力。Fd計(jì)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(yùn)動(dòng)方程

考慮線性系統(tǒng)下的頻域運(yùn)動(dòng)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(shì)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(shì)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(lì)載荷，包括船體勢(shì)流波浪激勵(lì)力、桿件波浪慣性激勵(lì)力和桿件拖曳激勵(lì)力。

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)值分析條件

對(duì)4種載況進(jìn)行數(shù)值模擬分析：載況1為預(yù)起重狀態(tài)1(空鉤，無(wú)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(wú)托管架)、載況4為托管架起重機(jī)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(jìn)行水動(dòng)力響應(yīng)分析，考慮5個(gè)浪向：0°、30°、90°、120°和180°。

考慮起重機(jī)作業(yè)的實(shí)際海況，有義波高不超過(guò)2 m的4個(gè)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(duì)本船船體-托管架系統(tǒng)體進(jìn)行基于三維勢(shì)流理論及莫里森公式的水動(dòng)力載荷分析。水動(dòng)力模型如圖2所示。

圖2 水動(dòng)力模型

對(duì)于式(5)中的黏性阻尼系數(shù)C：船體勢(shì)流阻尼和桿件拖曳阻尼兩部分由軟件自動(dòng)求解；對(duì)黏性阻尼，主要通過(guò)以往相似船型實(shí)船數(shù)據(jù)的累積，對(duì)無(wú)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(guò)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(duì)水動(dòng)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(duì)鋪管船運(yùn)動(dòng)性能影響兩個(gè)方面進(jìn)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

圖4 橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

圖5 縱搖運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)趨勢(shì)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(dá)到最大，橫浪(90°浪向)時(shí)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(dá)到最大，橫浪時(shí)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(gè)峰值出現(xiàn)在0.1 rad/s附近，橫浪時(shí)響應(yīng)最大，其原因主要是在起重機(jī)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(duì)該頻率位置的橫搖響應(yīng)幅值抑制作用明顯，可達(dá)50%；第2個(gè)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(shí)響應(yīng)比橫浪更大，該橫搖響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)的波浪頻率和浪向與第(1)條所述垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值結(jié)果一致，分析原因主要是船體帶有1個(gè)大月池開(kāi)口，在浪向沿船長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生共振，該月池開(kāi)口的非對(duì)稱布置(位于船體右舷)使整船產(chǎn)生橫搖運(yùn)動(dòng)，而且托管架結(jié)構(gòu)對(duì)該頻率位置的橫搖響應(yīng)幅值抑制作用同樣明顯，可達(dá)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(dá)到最大，尾浪和迎浪時(shí)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(duì)鋪管船運(yùn)動(dòng)特性影響

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

注：每個(gè)波浪下從左至右依次為載況1～載況4圖6 運(yùn)動(dòng)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(gè)波高為2.0 m的波浪。分析原因，主要是當(dāng)波浪激勵(lì)頻率在0.50 rad/s附近時(shí)，各載況下的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)均出現(xiàn)峰值(見(jiàn)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(shí)對(duì)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)最可能極值

由圖7可知：

(1)垂蕩的危險(xiǎn)浪向?yàn)闄M浪，這與RAO曲線趨勢(shì)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(shuō)明在給定海況下有無(wú)托管架對(duì)整船的垂蕩沒(méi)有影響。

(2)對(duì)于無(wú)鉤載預(yù)起重狀態(tài)，橫搖的危險(xiǎn)浪向?yàn)闄M浪；對(duì)于有鉤載的起重狀態(tài)，危險(xiǎn)浪向?yàn)槲怖耍哼@均與RAO曲線峰值趨勢(shì)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(shuō)明托管架帶來(lái)的拖曳阻尼對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響大于托管架帶來(lái)的波浪激勵(lì)載荷對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響。

(3)縱搖的危險(xiǎn)浪向是迎浪，這與RAO曲線趨勢(shì)相符合。對(duì)于預(yù)起重狀態(tài)，托管架在一定程度上放大了縱搖運(yùn)動(dòng)，但是該影響弱于由鉤載引起重心升高對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)的影響，且對(duì)于帶鉤載的起重狀態(tài)，托管架對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)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(jī)及其貨載作為單個(gè)剛體系統(tǒng)的前提下，研究某起重鋪管船運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)因子和極值響應(yīng)，對(duì)比多種海況下托管架與起重機(jī)聯(lián)合工作狀態(tài)的水動(dòng)力性能，結(jié)果表明：

(1)對(duì)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO峰值頻率均在0.4 ～ 0.6 rad/s，橫浪對(duì)垂蕩的影響最顯著。

(2)對(duì)于帶鉤載的起重狀態(tài)，本船的大月池開(kāi)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(duì)垂蕩影響很小，對(duì)橫搖有明顯的抑制作用，對(duì)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(lái)說(shuō)，其作用整體而言是積極的。

(4)一般來(lái)說(shuō)，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(duì)整船運(yùn)動(dòng)的相對(duì)積極作用，從水動(dòng)力性能的角度來(lái)看，該起重鋪管船尾部托管架與起重機(jī)同時(shí)聯(lián)合工作的可能性是存在的。