孫國民，雷震名，何　寧，閆澍旺，李　嘉

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300451;2．天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072)

低頻涌浪環(huán)境下“海洋石油201”運(yùn)動(dòng)特征模型試驗(yàn)研究

孫國民1，雷震名1，何寧1，閆澍旺2，李嘉2

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300451;2．天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072)

摘要:為了分析起重鋪管船“海洋石油201”在低頻涌浪環(huán)境中橫搖過大的原因，對“海洋石油201”橫浪和迎浪條件下在不同周期和波高的涌浪作用下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明鋪管船遭遇與其橫搖固有周期接近的涌浪時(shí)發(fā)生諧搖導(dǎo)致其橫搖運(yùn)動(dòng)過大。用圖解法求解了鋪管船橫浪條件下諧搖時(shí)的橫搖角幅值，對試驗(yàn)結(jié)果和理論的差異進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:低頻涌浪;“海洋石油201”;運(yùn)動(dòng)特征;模型試驗(yàn)

Model experimental study on‘Hai Yang Shi You 201’motion characteristics affected by low frequency surges

SUN Guo-min1，LEI Zhen-ming1，HE Ning1，YAN Shu-wang2，LI Jia2(1．Offshore oil engineering co．，Ltd．，Tianjin 300451，China; 2．School of civil engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract:In order to analysis the reason why the rolling amplitude of the pipe laying and lifting barge‘HAI YANG SHI YOU 201’is large in low frequency surge environment，the model of‘HAI YANG SHI YOU 201’was made，model tests of the barge in swells with different periods and wave heights were carried out respectively．The test data proved that synchronous rolling will happen when swells' period near barge's natural rolling period．The rolling amplitude was calculated by graphical method，and differences between test and theoretical explanation were analyzed．

Key words:low frequency surges;‘HAI YANG SHI YOU 201’; motion characteristic;model test

0　引言

鋪管船是海上油氣田開發(fā)的重要裝備，承擔(dān)著海底管線的鋪設(shè)以及結(jié)構(gòu)物安裝等施工任務(wù)。海底管道鋪設(shè)時(shí)需要將分段的管道在鋪管船上焊接，鋪管船的穩(wěn)性直接影響鋪管質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)幅度過大會(huì)導(dǎo)致施工無法進(jìn)行［1］。在近期進(jìn)行的我國某海域開發(fā)中，該海域的低頻涌浪環(huán)境對起重鋪管船產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，造成船舶海上待機(jī)時(shí)間和施工費(fèi)用顯著增加。

海浪是船舶在海上產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動(dòng)的最主要因素，風(fēng)浪和涌浪是海浪的2種主要表現(xiàn)形式。涌浪可能是由別處的風(fēng)引起的海浪傳播而來，也可能是風(fēng)停止或風(fēng)削弱后，或改變了風(fēng)向而形成［2］，研究人員很早就注意到了低頻涌浪的現(xiàn)象，1947年，Munk［3］就在英國Pendeen觀測到了周期約15～24 s的涌浪，1988年，Gjevik［4］在挪威海觀測到周期20～25 s的涌浪。

涌浪具有較規(guī)則的外形，排列比較整齊，波峰線較長，波面平滑，接近于正弦波的形狀。在涌浪的傳播過程中，頻率大的組成波衰減得快，頻率小的衰減得慢，隨著傳播距離的增加，高頻分量所占有能量的比例越來越小，而低頻的波分量則相對地起到支配作

用，因而在傳播過程中，涌浪的外觀周期將不斷增大，而波面陡度則變得越來越小，在海上難以發(fā)覺。

“海洋石油201”號(hào)起重鋪管船在該海域施工發(fā)生強(qiáng)烈橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)該海域風(fēng)速較低，風(fēng)浪并不明顯，而波浪監(jiān)測結(jié)果顯示該海域存在低頻涌浪成分，本文通過模型試驗(yàn)研究低頻涌浪對鋪管船運(yùn)動(dòng)的影響，并提出相關(guān)建議。

1　鋪管船運(yùn)動(dòng)特征模型試驗(yàn)

1.1鋪管船模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以“海洋石油201”號(hào)起重鋪管船為目標(biāo)船型，該船是我國第1艘深水鋪管起重船，作業(yè)水深可達(dá)3 000 m。鋪管船鋪管作業(yè)需要具備一定的運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)，“海洋石油201”采用的可作業(yè)運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)是:橫搖角小于2.5°;縱搖角小于2°［5］。

模型采用玻璃鋼制成，模型船的主要參數(shù)如表1所示，模型如圖1所示。

表1　“海洋石油201”模型船主要參數(shù)Tab.1 Main data of the scale model of‘HAI YANG SHI YOU 201’

圖1　船體模型示意圖Fig.1　Body plan of the model

1.2鋪管船運(yùn)動(dòng)特征模型試驗(yàn)方案

鋪管船在波浪中可能產(chǎn)生的6個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，其中垂蕩、橫搖和縱搖是由于恢復(fù)力(矩)作用產(chǎn)生，其特征是以平衡位置為中心做周期性搖蕩運(yùn)動(dòng)，“海洋石油201”以橫搖和縱搖為可作業(yè)運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)的指標(biāo)，是本試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。

試驗(yàn)在天津大學(xué)船模試驗(yàn)水池進(jìn)行，該水池尺度為137 m (長)×7 m (寬)×3 m (深)，水池一端為消波裝置，另一端安裝了搖板式造波機(jī)。試驗(yàn)時(shí)浪高距造波機(jī)約30 m，鋪管船模型距造波機(jī)約35 m，浪高儀和鋪管船模型均布置在水池寬度方向的中央位置。

由于鋪管船作業(yè)時(shí)速度很小，不同工況下的模型試驗(yàn)鋪管船航速均為0，鋪管船模型橫浪和迎浪條件下試驗(yàn)內(nèi)容分別如表2和表3所示。

表2　鋪管船橫浪條件試驗(yàn)內(nèi)容Tab.2　Test contents of model in beam sea

表3　鋪管船迎浪條件試驗(yàn)內(nèi)容Tab.3　Test contents of model in longitudinal waves

1.3模型船運(yùn)動(dòng)的測量

采用非接觸式光學(xué)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測量系統(tǒng)測量模型船的運(yùn)動(dòng)，該系統(tǒng)基于立體視覺原理［6］構(gòu)建，基本原理如圖2所示。

試驗(yàn)時(shí)在模型船上布置3個(gè)LED光點(diǎn)作為示蹤點(diǎn)，通過2部相機(jī)追蹤示蹤點(diǎn)的位置變化，計(jì)算機(jī)經(jīng)過圖像處理、三維重構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參量分解確定模型船6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，采樣頻率為30 Hz。該方法無具有無干擾、精度高、便于操作等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　立體視覺基本原理Fig.2　The fundamental of stereoscopic

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1鋪管船模型橫浪條件試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到橫浪條件不同工況下鋪管船模型運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后的橫搖和縱搖的運(yùn)動(dòng)幅值，以鋪管船模型遭遇涌浪的周期為橫坐標(biāo)，鋪管船模型橫搖角幅值和縱搖角幅值為縱坐標(biāo)，得到鋪管船模型運(yùn)動(dòng)隨涌浪周期變化規(guī)律如圖3所示。

圖3　“海洋石油201”模型橫浪時(shí)遭遇不同周期涌浪時(shí)鋪管船運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.3　Motion rule in beam sea

由圖3可知，在鋪管船模型遭遇涌浪的周期接近鋪管船模型橫搖固有周期時(shí)鋪管船模型發(fā)生了明顯的諧搖，此時(shí)橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)劇烈，縱搖不超過2°，在可作業(yè)衡準(zhǔn)范圍之內(nèi)，橫搖角幅值約為18°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出可作業(yè)衡準(zhǔn)。

鋪管船模型遭遇周期為1.39 s，波高5 cm涌浪時(shí)，實(shí)時(shí)記錄的波高和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線如圖4所示，可見鋪管船模型遭遇該涌浪時(shí)橫搖運(yùn)動(dòng)幅度迅速增大。

圖4　“海洋石油201”模型橫浪諧搖時(shí)波高和橫搖時(shí)歷曲線Fig.4　Wave height and synchronous rolling time history curves in beam sea

2.2鋪管船模型迎浪條件試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到迎浪條件不同工況下鋪管船模型運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后的橫搖和縱搖的運(yùn)動(dòng)幅值，以鋪管船模型遭遇涌浪的周期為橫坐標(biāo)，鋪管船模型橫搖角幅值和縱搖角幅值為縱坐標(biāo)，得到鋪管船模型運(yùn)動(dòng)隨涌浪周期變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，在鋪管船模型遭遇涌浪的周期接近模型船橫搖固有周期時(shí)模型船諧搖現(xiàn)象仍較顯著，鋪管船模型運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后的單側(cè)橫搖角約為5.5°，雖和橫浪時(shí)相比明顯減小，但橫搖幅值仍然超出可作業(yè)衡準(zhǔn)，諧搖區(qū)范圍也有明顯減小，如模型船在遭遇涌浪周期為1.39 s時(shí)橫搖較明顯，遭遇涌浪的周期為1.27 s和1.50 s時(shí)橫搖角幅值均很小。

鋪管船模型遭遇周期為1.39 s，波高5 cm涌浪時(shí)，實(shí)時(shí)記錄的波高和橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線如圖6所

示，和模型船橫浪試驗(yàn)結(jié)果相比，橫搖運(yùn)動(dòng)從開始到穩(wěn)定需要的時(shí)間更長。

圖5　“海洋石油201”模型迎浪時(shí)遭遇不同周期涌浪時(shí)鋪管船運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5　Motion rule in longitudinal waves

圖6　“海洋石油201”模型迎浪時(shí)波高和橫搖時(shí)歷曲線Fig.6　Wave height and synchronous rolling time history curves in longitudinal waves

3　鋪管船諧搖橫搖角幅值的近似求解與分析

3.1諧搖時(shí)橫搖幅值的近似計(jì)算

基于船舶在規(guī)則波中的線性理論得到船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)解答:

當(dāng)船舶遭遇涌浪的周期接近其橫搖固有周期，即式中Λ= 1時(shí)，當(dāng)2 μφφ較小時(shí)船舶橫搖可以達(dá)到很大值，即發(fā)生諧搖。事實(shí)上船舶橫搖幅值較大時(shí)屬于典型的非線性問題，但非線性微分方程求解困難且難以得到精確解，圖解法［7］是確定非線性橫搖角幅值的一種實(shí)用方法，假設(shè)水無阻尼，可得到船每橫搖半個(gè)周期橫搖幅的絕對值增大為:

考慮水的阻尼，假設(shè)船穩(wěn)定橫搖時(shí)擾動(dòng)力矩使船橫搖幅增加恰好同阻尼力使船橫搖幅減少相等，可以求出橫搖角幅值。試驗(yàn)得到的橫搖衰減曲線和根據(jù)衰減曲線得到的消滅曲線如圖7和圖8所示。

圖8　橫搖消滅曲線Fig.8　Curve of extinction

以鋪管船模型遭遇涌浪周期1.39 s，波高3 cm工況為例，用圖解法近似估算其橫搖角幅值?！昂Ｑ笫?01”號(hào)鋪管船模型的吃水與波長之比T/λ= 0.04，船寬與波長之比B/λ= 0.16，水線面系數(shù)約為0.81，豎向棱形系數(shù)約為0.91，吃水和船寬有限性修正系數(shù)約為0.80和0.97，諧搖時(shí)每半周期橫搖幅增大⊿φ約為1.40°，由消滅曲線可得橫搖幅約為11.5°。

圖解法得到的橫搖角幅值均比試驗(yàn)結(jié)果偏小，采用上述方法低估了鋪管船諧搖時(shí)的橫搖運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。

3.2理論與試驗(yàn)的差異分析

理論上講，左右對稱的船舶在規(guī)則波中處于絕對的迎浪狀態(tài)時(shí)不會(huì)發(fā)生橫搖，因此調(diào)整航向角是減輕諧搖危害的有效方式，試驗(yàn)結(jié)果也表明鋪管船模型由橫浪調(diào)整為迎浪時(shí)橫搖角幅值明顯降低，但鋪管船橫搖運(yùn)動(dòng)并未完全消失，這和鋪管船遭遇涌浪時(shí)調(diào)整為迎浪狀態(tài)也未能避免橫搖的現(xiàn)象是一致的。

理論建立過程中引入了很多假說，如假設(shè)作用在船體上的規(guī)則波是平面進(jìn)行波、船舶各自由度的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立等，這些假設(shè)將復(fù)雜的實(shí)際情況進(jìn)行了簡化以便于建立數(shù)學(xué)物理方程，但一定程度上又造成了模型和實(shí)際涌浪的差別，實(shí)際海洋環(huán)境復(fù)雜多變，周期和船舶橫搖固有周期相等的涌浪成分極易引起船舶的橫搖，同時(shí)海洋中其他海浪成分也對船舶產(chǎn)生影響，使船舶發(fā)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

4　結(jié)論和建議

針對我國某海域低頻涌浪環(huán)境使鋪管船產(chǎn)生了強(qiáng)烈的橫搖，即使調(diào)整為迎浪狀態(tài)也未能避免，嚴(yán)重影響了海底管道的正常鋪設(shè)安裝的工程問題，對“海洋石油201”號(hào)起重鋪管船橫浪和迎浪條件下在不同周期和波高的涌浪作用下的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，綜合不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果，可得如下結(jié)論:

1)鋪管船遭遇與其橫搖固有周期接近的涌浪時(shí)發(fā)生諧搖是鋪管船橫搖運(yùn)動(dòng)過大的原因;

2)鋪管船橫浪時(shí)遭遇涌浪的周期與其橫搖固有周期接近時(shí)發(fā)生諧搖，諧搖時(shí)橫搖角幅值明顯增大，遠(yuǎn)超出可作業(yè)運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn);

3)鋪管船迎浪時(shí)遭遇涌浪的周期與其橫搖固有周期接近時(shí)諧搖現(xiàn)象仍較明顯，諧搖時(shí)橫搖角幅值仍有明顯增大，超出可作業(yè)運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)。

低頻涌浪波長較長且波面光滑，海上甚至難以發(fā)覺，鋪管船一旦遭遇特定周期涌浪會(huì)引起橫搖過大無法施工，且鋪管船受到正在鋪設(shè)的管道影響，難以通過調(diào)整航速和航向角等常規(guī)方法減輕諧搖影響，造成鋪管船和配套設(shè)備海上待機(jī)和工程費(fèi)用劇增。建議對該海域海況進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)該海域涌浪的季節(jié)性等規(guī)律，在確定施工作業(yè)氣候窗口時(shí)增加涌浪周期作為鋪管船出海的依據(jù)。

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作者簡介:孫國民(1966－)，男，高級(jí)工程師，從事海洋工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期:2015－05－17

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0029－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.007

中圖分類號(hào):U674．76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A