風向和流向不同時的工程船就位方式優化分析

畢遠濤

(煙臺打撈局， 山東煙臺 264012)

在大豐H3海上升壓站施工工程中，3 800 t全回轉浮吊船“宇航起重58”在完成導管架安放和鋼樁沉樁后撤離現場，煙臺打撈局工程船“芝罘島”在導管架旁順流就位，進行焊接和灌漿等后續施工。因風向和流向不同，“芝罘島”橫搖2°多，無法起吊作業。通過對現場風速、風向、流速和流向等進行分析，綜合考慮“芝罘島”船舶主尺度和錨泊的設備性能，最終決定改變錨點位置，調整船舶艏向，由順流就位改為迎風就位。在多次細微調整艏向和錨鏈長度后，橫搖明顯減小，“芝罘島”船舶吊臂可正常起落，后續施工平穩進行。

1 順流就位橫搖角度大

1.1 現場流向與風向

施工區域潮汐性質為非正規半日淺海潮，平均高潮位2.09 m，平均低潮位-1.65 m，最高潮位3.34 m，最低潮位-2.97 m(1985年國家高程基準)。平均漲潮歷時5 h 59 min，平均落潮歷時6 h 25 min。流向為南北方向(偏西)，漲潮流向200°，退潮流向345°，平均流速約2 kn。現場潮流方向見圖1。

圖1 現場潮流方向圖

現場風向與涌浪方向一致，施工期間絕大多數風力為東南向，波浪方向也以東南向為主，波高為0.3～1.0 m，周期為3～5 s。現場波浪頻率玫瑰圖見圖2。

圖2 現場波浪頻率玫瑰圖

1.2 順流就位

拖船“德滋”拖帶主作業船“芝罘島”至導管架東側，考慮到現場流向主要為南北向和方便后續起吊作業，“芝罘島”船舶平行于導管架、船長沿南北方向就位，距導管架約20 m,艏向為0°，艏艉各拋3只定位錨，見圖3。此就位方式基本為順流就位，拖船、交通船和駁船可方便地傍靠“芝罘島”船舶右舷。

現場風向和浪向一致，主要為東南向，而流向為南北向，浪向與流向存在30°～50°的偏角。“芝罘島”船舶順流就位，在右舷遭受波浪的影響，且波浪周期與船舶橫搖周期接近，“芝罘島”船舶橫搖2°多，無法正常進行起吊作業。甚至在風力和涌浪較小時，“芝罘島”船舶橫搖依然十分明顯，嚴重影響導管架基礎的后續施工。

2 對船舶橫搖的分析

針對“芝罘島”船舶順流就位橫搖較大的問題，結合船舶橫搖原理，對現場海況和船舶特點進行分析，找到橫搖較大的原因，為優化就位方式、減小橫搖厘清思路。

圖3 “芝罘島”船舶順流就位圖

2.1 船舶橫搖運動方程

在傳統的船舶橫搖運動方程中，風和流對橫搖的影響相對于波浪作用為小量，一般可忽略[1]，根據能量守恒定律，有

(1)

由式(1)可知:風和流對橫搖的直接影響較小。而對于施工船舶來說，船體結構和重量分布基本上為固定值，無法隨意變化，唯一方便調整的只有波浪擾動力矩，可通過改變船舶艏向、減小船舶受浪面積來減小波浪的影響，從而減輕橫搖。[3]

2.2 船舶參數激勵-強迫激勵非線性運動微分方程

一般情況下，風向和波向一致，船舶在縱浪(迎風)狀態下，主要發生縱搖和垂蕩運動，橫搖幅值很小。但傅魯德在船舶試驗中發現:船舶垂蕩固有頻率是橫搖固有頻率2倍時，會激發產生大幅值的復雜橫搖運動，當時無法解釋這一現象。在全世界范圍內發生的多起集裝箱船海難事故中，船舶按照航海規范迎浪減速航行，依舊發生大角度橫搖甚至傾覆事件，造成重大船舶損失。[4]這些事故直接推動了學術界對船舶參數激勵橫搖現象的研究。船舶在縱浪狀態下與波面相對位置的變化導致其瞬時濕表面積的迅速變化，造成船舶初穩心高發生變化，船舶橫搖恢復力矩隨之產生非線性變化，進而導致船舶橫搖穩性發生變化，表觀現象為船舶劇烈橫搖，即船舶參數激勵橫搖。[5]在波長等于船長、波浪頻率為船舶橫搖固有頻率的2倍時，參數激勵橫搖最為嚴重，橫搖角可達30°以上。

船舶在斜浪狀態下的波浪分解為船長方向(縱向)和船寬方向(橫向)兩個分量，縱向波浪可能會引起船舶參數激勵橫搖；而由于左右舷可能存在波面高度差，船舶會受到橫向波浪的強迫激勵力矩作用，產生強迫激勵橫搖。參數激勵與強迫激勵聯合作用，對船舶橫搖產生復雜且重大的影響。[6]

假設波浪激勵頻率與參數激勵頻率一致，在參數激勵-強迫激勵聯合作用下的船舶橫搖微分方程[7]為

hcos(ωet)]·φ=E0sin(ωet+δ0)

(2)

目前,針對式(2)有多種解法，本文不再贅述。在斜浪狀態下，參數激勵與強迫激勵聯合比單獨的參數激勵或強迫激勵造成的船舶橫搖更加劇烈，對船舶安全的危害更大。

2.3 “芝罘島”船舶橫搖分析

“芝罘島”船舶長為109 m，寬為27 m，型深為7.2 m，滿載吃水4.2 m。船體水線以下部分近似于方形，基本無型線變化。艏部為居住區，艉部為350 t全回轉吊機。船舶艏艉各有4只定位錨，錨鋼絲長度為1 000 m，艏部另有2只航行錨。“芝罘島”船舶海上就位圖見圖4,其結構和錨鏈分布見圖5。

“芝罘島”船舶初期采用平行導管架、順流就位方式，船向與浪向有30°～50°夾角，即船舶受斜向不規則波浪影響。斜向不規則波浪在橫向的分量直接沖擊“芝罘島”船舶舷側會造成明顯的強迫激勵橫搖，應盡量避免。在縱向波浪分量作用下，“芝罘島”船舶水線面面積會隨時發生變化。當水線面面積比靜水中小時，船舶橫穩心高和橫搖恢復力矩減小，穩性下降，縱向的參數激勵橫搖與橫向的強迫激勵聯合作用，使“芝罘島”船舶發生較為復雜和明顯的橫搖，因此船舶無法正常進行起吊施作業。如果調整艏向，改變波浪作用方向，將有利于減輕參數激勵-強迫激勵橫搖。[9]

圖4 “芝罘島”船舶海上就位圖

圖5 “芝罘島”船舶結構和錨鏈分布圖

現場海域波長約3～5 m，波長與船長(109 m)相比為小值，因此波浪直接引起的縱搖較小。“芝罘島”船舶自身重量較大，垂蕩較小，又因船底為方形，垂蕩造成的水線面面積變化較小。參數激勵橫搖的主要原因是縱搖和垂蕩造成大幅值的橫搖，由于“芝罘島”船舶的結構特點，可判斷在參數激勵-強迫聯合激勵中，縱向的參數激勵對船舶橫搖影響較小，橫向的強迫激勵對橫搖影響占主要部分。

現場流速較快，但對船舶的影響以流壓力為主，對橫搖影響較小。“芝罘島”船舶具有6只7.25 t和2只6.50 t定位錨，海底為泥砂底，錨抓力能夠解決流壓力壓迫船舶的問題。如果調整船舶艏向，使船長方向與波浪方向(風向)一致，可明顯減弱強迫激勵橫搖，參數激勵橫搖因波長小而影響有限，船舶穩定性會得到有效提高。[10]

3 就位方式優化調整

3.1 橫流順風就位

“芝罘島”船舶根據此前對橫搖的分析和現場海況調整錨位，艏向由0°調至300°，由船長沿南北方向就位改為東南西北方向就位。同時,加拋6號錨，船舶處于導管架東北側，最近處距導管架約為20 m(見圖6)，該就位方式基本上為迎風(縱浪)、橫流。為避免流壓力造成船位移動而碰撞導管架，“芝罘島”船舶多次細微調整錨鋼絲長度，使錨鋼絲都帶力，增強錨泊的穩定性。1#、4#和8#錨點經過位置謹慎選取，保證船舶橫向位置處于可控狀態，2#、6#和7#錨點使船舶縱向可適度調整。在風向和浪向轉變時，可通過收放錨鋼絲改變船舶方向，使船舶始終處于順風順浪狀態。

圖6 “芝罘島”船舶橫流順風就位圖

“芝罘島”船舶在調整至橫流迎風迎浪就位方式后，船舶穩定性明顯提高。由于船舶橫向無波浪沖擊，而縱向波浪波長較短，對船舶橫搖的影響很小，因此橫搖角減小至0.2°以下，“芝罘島”船舶吊臂可順利起落，導管架基礎后續施工得以正常有序進行。

3.2 橫流順風就位注意事項

“芝罘島”船舶橫流就位，順利解決了船舶橫搖問題，但該就位方式存在一定的局限性，具體表現在：

1) 對風向轉變的應變性存在不足。施工現場東南風居多，浪向也以東南為主，存在風向轉變、風力加大的情況。船舶在導管架東北方向就位，而施工區東北方向是開闊海域，東北風會造成巨大的波浪，使船舶處于橫浪狀態，橫向波浪的強迫激勵橫搖對船舶影響最為明顯和劇烈，在此作用下船舶橫搖十分明顯。東北向的風浪還會壓迫船舶逼近導管架，引發碰撞風險。例如某日上午9時，現場突然由東南風轉為6～7級東北風，此前平穩的“芝罘島”船舶幾分鐘內橫搖達6°～7°，進行中的灌漿施工被迫停止，主吊臂立即歸位，船舶離導管架一度只有7 m，船長立刻召集人員絞船移位，避免造成船舶與導管架碰撞。因此，此橫流迎風就位方式對維持東南風下船舶的穩定性效果明顯，風向轉變后對消除橫搖影響的效果不佳，特別應避免橫向風浪對船舶的沖擊。橫向風浪來臨前，“芝罘島”船舶必須離開導管架，以保證自身和導管架安全。

2) 橫流就位對船舶安全提出重大挑戰。“芝罘島”船舶橫流就位，現場流速較大。船舶底部為方形，船長為109 m，吃水為4.2 m，迎流面積較大，潮流對船舶的橫向沖擊力不可忽視。雖然船舶的錨泊性能較好，但存在漲潮流壓迫船舶逼近導管架的風險。為防范此風險，甲板人員定時巡視，施工人員隨時關注現場情況，謹防碰撞。橫流就位方式也給現場交通船、駁船的靠泊帶來一定困難。例如，在交通船靠泊時，潮流可能將交通船主動壓迫至“芝罘島”船舶舷側，存在碰撞危險。此問題可通過交通船和駁船的船長加強操船或等到平流期再靠泊等方法解決。

3) 長波浪下可能發生參數激勵橫搖。現場波浪波長較短，一般為3～5 m，但警惕長波浪的影響。當波長與船長在同一數量級時，縱向波浪對橫搖產生耦合影響，造成明顯的參數激勵橫搖。若浪向與船長方向存在一定的角度，還會產生強迫激勵橫搖，在參數激勵-強迫激勵聯合作用下，船舶橫搖極大。在長波浪來襲時，“芝罘島”船舶只能移船離開導管架，避免碰撞風險，盡量調整船位，使之迎浪，以減小橫搖。

4) 應根據實際船況和風浪條件靈活調整就位。“芝罘島”船舶迎風、迎浪、橫流就位，減輕橫搖影響，是根據自身船舶構造和現場特殊風、浪、流情況決定的。“芝罘島”為工程船，水線面以下部分為方形，基本上無型線變化，垂蕩小，對船舶吃水和水線面面積的影響小，考慮參數激勵橫搖時可忽略垂蕩的影響。但是，對于一般船舶而言，由于船底型線變化，垂蕩不能忽略，因此更加復雜。同時,由于大豐H3海上升壓站施工現場流速快，流向與主浪向(風向)存在約40°偏角，特殊的海域條件使“芝罘島”船舶選擇迎風、迎浪、橫流的就位方式。對于一般船舶而言，潮流對船舶的影響比風力大，應盡量選擇順流

就位。實際選取就位方式時，一定要綜合考慮船舶結構和現場海域條件。

4 結束語

大豐H3海上升壓站施工現場流速快，流向與風向、浪向不同，“芝罘島”船舶按傳統方式順流就位橫搖較大，致使無法起吊作業。通過對現場水文氣象和船舶特點進行分析，找到了順流就位橫搖大的原因，果斷改變就位方式，使船舶迎風、迎浪、橫流就位，橫搖明顯減小，“芝罘島”船舶順利完成了導管架基礎的后續施工。同時,對橫流迎風就位方式存在的問題進行說明，找到了解決方法，為復雜海況條件下船舶就位方式的選取提供了新思路。