低頻涌浪環境下“海洋石油201”運動特征模型試驗研究

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．天津大學建筑工程學院，天津300072)

低頻涌浪環境下“海洋石油201”運動特征模型試驗研究

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．天津大學建筑工程學院，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動特性進行模型試驗，試驗結果表明鋪管船遭遇與其橫搖固有周期接近的涌浪時發生諧搖導致其橫搖運動過大。用圖解法求解了鋪管船橫浪條件下諧搖時的橫搖角幅值，對試驗結果和理論的差異進行了分析。

關鍵詞:低頻涌浪;“海洋石油201”;運動特征;模型試驗

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的重要裝備，承擔著海底管線的鋪設以及結構物安裝等施工任務。海底管道鋪設時需要將分段的管道在鋪管船上焊接，鋪管船的穩性直接影響鋪管質量，運動幅度過大會導致施工無法進行［1］。在近期進行的我國某海域開發中，該海域的低頻涌浪環境對起重鋪管船產生了嚴重影響，造成船舶海上待機時間和施工費用顯著增加。

海浪是船舶在海上產生搖蕩運動的最主要因素，風浪和涌浪是海浪的2種主要表現形式。涌浪可能是由別處的風引起的海浪傳播而來，也可能是風停止或風削弱后，或改變了風向而形成［2］，研究人員很早就注意到了低頻涌浪的現象，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，在海上難以發覺。

“海洋石油201”號起重鋪管船在該海域施工發生強烈橫搖運動時該海域風速較低，風浪并不明顯，而波浪監測結果顯示該海域存在低頻涌浪成分，本文通過模型試驗研究低頻涌浪對鋪管船運動的影響，并提出相關建議。

1　鋪管船運動特征模型試驗

1.1鋪管船模型設計

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1艘深水鋪管起重船，作業水深可達3 000 m。鋪管船鋪管作業需要具備一定的運動衡準，“海洋石油201”采用的可作業運動衡準是: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鋪管船運動特征模型試驗方案

鋪管船在波浪中可能產生的6個自由度的搖蕩運動，其中垂蕩、橫搖和縱搖是由于恢復力(矩)作用產生，其特征是以平衡位置為中心做周期性搖蕩運動，“海洋石油201”以橫搖和縱搖為可作業運動衡準的指標，是本試驗研究的重點。

試驗在天津大學船模試驗水池進行，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。試驗時浪高距造波機約30 m，鋪管船模型距造波機約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。

由于鋪管船作業時速度很小，不同工況下的模型試驗鋪管船航速均為0，鋪管船模型橫浪和迎浪條件下試驗內容分別如表2和表3所示。

表2　鋪管船橫浪條件試驗內容Tab.2　Test contents of model in beam sea

表3　鋪管船迎浪條件試驗內容Tab.3　Test contents of model in longitudinal waves

1.3模型船運動的測量

采用非接觸式光學運動姿態測量系統測量模型船的運動，該系統基于立體視覺原理［6］構建，基本原理如圖2所示。

試驗時在模型船上布置3個LED光點作為示蹤點，通過2部相機追蹤示蹤點的位置變化，計算機經過圖像處理、三維重構和運動參量分解確定模型船6個自由度的運動，采樣頻率為30 Hz。該方法無具有無干擾、精度高、便于操作等優點。

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

2　試驗結果

2.1鋪管船模型橫浪條件試驗結果

試驗得到橫浪條件不同工況下鋪管船模型運動穩定后的橫搖和縱搖的運動幅值，以鋪管船模型遭遇涌浪的周期為橫坐標，鋪管船模型橫搖角幅值和縱搖角幅值為縱坐標，得到鋪管船模型運動隨涌浪周期變化規律如圖3所示。

圖3　“海洋石油201”模型橫浪時遭遇不同周期涌浪時鋪管船運動規律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鋪管船模型發生了明顯的諧搖，此時橫搖、縱搖運動劇烈，縱搖不超過2°，在可作業衡準范圍之內，橫搖角幅值約為18°，遠遠超出可作業衡準。

鋪管船模型遭遇周期為1.39 s，波高5 cm涌浪時，實時記錄的波高和橫搖運動時歷曲線如圖4所示，可見鋪管船模型遭遇該涌浪時橫搖運動幅度迅速增大。

圖4　“海洋石油201”模型橫浪諧搖時波高和橫搖時歷曲線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結果

試驗得到迎浪條件不同工況下鋪管船模型運動穩定后的橫搖和縱搖的運動幅值，以鋪管船模型遭遇涌浪的周期為橫坐標，鋪管船模型橫搖角幅值和縱搖角幅值為縱坐標，得到鋪管船模型運動隨涌浪周期變化規律如圖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模型船諧搖現象仍較顯著，鋪管船模型運動穩定后的單側橫搖角約為5.5°，雖和橫浪時相比明顯減小，但橫搖幅值仍然超出可作業衡準，諧搖區范圍也有明顯減小，如模型船在遭遇涌浪周期為1.39 s時橫搖較明顯，遭遇涌浪的周期為1.27 s和1.50 s時橫搖角幅值均很小。

鋪管船模型遭遇周期為1.39 s，波高5 cm涌浪時，實時記錄的波高和橫搖運動時歷曲線如圖6所

示，和模型船橫浪試驗結果相比，橫搖運動從開始到穩定需要的時間更長。

圖5　“海洋石油201”模型迎浪時遭遇不同周期涌浪時鋪管船運動規律Fig.5　Motion rule in longitudinal waves

圖6　“海洋石油201”模型迎浪時波高和橫搖時歷曲線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諧搖時橫搖幅值的近似計算

基于船舶在規則波中的線性理論得到船舶的橫搖運動解答:

當船舶遭遇涌浪的周期接近其橫搖固有周期，即式中Λ= 1時，當2 μφφ較小時船舶橫搖可以達到很大值，即發生諧搖。事實上船舶橫搖幅值較大時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用方法，假設水無阻尼，可得到船每橫搖半個周期橫搖幅的絕對值增大為:

考慮水的阻尼，假設船穩定橫搖時擾動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。試驗得到的橫搖衰減曲線和根據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。“海洋石油201”號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，水線面系數約為0.81，豎向棱形系數約為0.91，吃水和船寬有限性修正系數約為0.80和0.97，諧搖時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結果偏小，采用上述方法低估了鋪管船諧搖時的橫搖運動的強度。

3.2理論與試驗的差異分析

理論上講，左右對稱的船舶在規則波中處于絕對的迎浪狀態時不會發生橫搖，因此調整航向角是減輕諧搖危害的有效方式，試驗結果也表明鋪管船模型由橫浪調整為迎浪時橫搖角幅值明顯降低，但鋪管船橫搖運動并未完全消失，這和鋪管船遭遇涌浪時調整為迎浪狀態也未能避免橫搖的現象是一致的。

理論建立過程中引入了很多假說，如假設作用在船體上的規則波是平面進行波、船舶各自由度的運動相互獨立等，這些假設將復雜的實際情況進行了簡化以便于建立數學物理方程，但一定程度上又造成了模型和實際涌浪的差別，實際海洋環境復雜多變，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，同時海洋中其他海浪成分也對船舶產生影響，使船舶發生復雜的運動。

4　結論和建議

針對我國某海域低頻涌浪環境使鋪管船產生了強烈的橫搖，即使調整為迎浪狀態也未能避免，嚴重影響了海底管道的正常鋪設安裝的工程問題，對“海洋石油201”號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動特征進行了模型試驗研究，綜合不同工況下的試驗結果，可得如下結論:

1)鋪管船遭遇與其橫搖固有周期接近的涌浪時發生諧搖是鋪管船橫搖運動過大的原因;

2)鋪管船橫浪時遭遇涌浪的周期與其橫搖固有周期接近時發生諧搖，諧搖時橫搖角幅值明顯增大，遠超出可作業運動衡準;

3)鋪管船迎浪時遭遇涌浪的周期與其橫搖固有周期接近時諧搖現象仍較明顯，諧搖時橫搖角幅值仍有明顯增大，超出可作業運動衡準。

低頻涌浪波長較長且波面光滑，海上甚至難以發覺，鋪管船一旦遭遇特定周期涌浪會引起橫搖過大無法施工，且鋪管船受到正在鋪設的管道影響，難以通過調整航速和航向角等常規方法減輕諧搖影響，造成鋪管船和配套設備海上待機和工程費用劇增。建議對該海域海況進行進一步調查和統計分析，總結該海域涌浪的季節性等規律，在確定施工作業氣候窗口時增加涌浪周期作為鋪管船出海的依據。

參考文獻:

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作者簡介:孫國民(1966－)，男，高級工程師，從事海洋工程設計工作。

收稿日期:2015－05－17

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

中圖分類號:U674．76

文獻標識碼:A