第２８卷第４期２０１０年１１月海洋７ｎ｛ＥＯＣＥＡＮ工程ＤｉＧＤ『ＥＥＲ矾ＧＶ０１．２８Ｎｏ．４Ｎｏｖ．２０１０文章编号：１００５．９８６５（２０１０）０４－００３３．０７深水起重铺管船作业性能理论与试验研究李金玉１，商辉２，陈中心，天津３００４５１）刚１，李欣１（１．上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海２００２４０；２．海洋石油工程股份有限公司海洋工程技术摘要：首先应用三维势流理论及时域模拟计算方法，对我国第一艘深水起重铺管船的铺管、起重状态的运动进行模拟，然后将计算结果与模型试验的结果进行比较分析。结果发现该船的横摇偏大，建议加减摇措施；起重状态时，起吊点高度和吊索长度对船的横摇和吊钩的运动有较大影响。这些结果为起重铺管船的生产应用等提供一定的技术依据。关键词：起重铺管船；时域计算；吊钩运动中图分类号：Ｕ６７４．３４文献标识码：ＡＴｈｅｏｒｙａｎｄｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓｔｕｄｙｏｎｄｅｅｐｗａｔｅｒｄｅｒｒｉｃｋｌａｙｂａｒｇｅＵＪｉｎ．ｙｕｌ，ＳＨＡＮＧＨｕｉ２，ＣＨＥＮＧａｎｇ＇，ＬＩＸｉｎｌ（１．ＳｔａｔｅＫｅｙ１．ａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｇ．，Ｓ｝ｌａｎｇ｝ｌａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖ．，ＳＩｌ喇２００２４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＯｆｆｓｈｏｒｅｏｕｔＥｎｇｉ，１ｅｅｒｉ，１９ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，Ｏ自［ｇｈｏｒｅＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，ｌａｄ．，Ｔｍｎｊｉｎ３００４５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｈ缸粼ｔ：ＴｕｎｅＵｙｄｏｍａｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｍｏｄｅｌｍ吐１１０ｄｓｓｈｏｗｔｅｓｔｓａ弛ｃａｒｒｉｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｍｏｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅａ１嘁ｆｉｒｓｔｄｅ印ｗａｔｅｒｗｏｌ她ｏｆｄｅｒｒｉｃｋａｏｎ３ｅｂａ学，ａｎｄｔｈｅｔｗｏｔｏａｒｅｓｏ脱ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｉｐｉｎｇａｎｄｌｉｆｔｉｎｇ，ｔｈｕｓ刚ｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｔｈｅｓｈｉｐｉｎｗａｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｍｏｔｉｏｌｌ８ｏｆｈｏｏｋｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｎａｌｙｓｉｓ．ｉｔ＇ｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔ剐）Ｉ∞ａｎｔｉｒｏｌｌｄｅｖｉｃｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｉｎｓｔａｌｌｅｄｂｅｃａｕｓｅ０ｆｔｈｅｂｉｇｒａｉｌ；ａｎｄｔｈｅｒｏｌｌａｎｄｊｏｉｒａａｎｄｔｈｅｌｅ，１９ｔｈｏｆｓｌｉｎｇ．ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｌａｒｇｅｌｙｂｙｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆｌｉｆｔｉｎｇＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｗａｔｅｒｄｅｒｒｉｃｋｌａｙｂａｒｇｅ；ｐｉｐｉｎｇａｎｄｌｍＩｌｇ；ｎｌｏｔｉｏｎ￥ｏｆｈｏｏｋ海上油气田开采的油气除少数在海上直接装船外运外，多数是通过管道传输至陆上加工并分别输送到用户的…１。铺管船法铺设海底管道较其它方法具有抗风浪能力强、适用性广、机动灵活和作业效率高等优点，它已成为铺设海底管道最主要的方法之一。到目前为止，我国海洋石油、天然气开发中铺设的海底管道大多数是采用铺管船法铺设的。同时，海上打捞，新建海洋平台及拆除旧平台等操作对起重的要求不断的提高【２ｉ。起重铺管船同时具有起重和铺管的能力，它的这两种能力的完美结合能极大的提高船舶的利用效率，进而带来更大的经济效益，所以我国建造的铺管船基本都为起重铺管船ｕＪ。国外一些发达国家，海洋石油开发时间早，技术先进，不断向深海发展，铺管能力已接近３国深海铺管技术非常薄弱，目前最深的海洋管道也只有３３０ｍ【ＩＪ。０００ｍ。而我我国南海深水区有着丰富的油气资源，但由于技术所限，还不能够在那里开采。为了保卫南海蓝色疆土，开采深水石油，中海油建造了中国第一艘深水起重铺管船海洋石油２０１ｂＪ。它的最大铺设水深达３０００ｍ，起重能力最大为４０００ｔ，总体技术水平和作业能力在国际同类工程船舶中处于领先地位，是国内自主进行详细设计和建造的第一艘具有自航能力、满足ＤＰ－３动力定位要求的深水铺管起重船ＭＪ。收稿日期：２００９—１０－１９基金项目：国家科技重大专项资助项目（２００８ｚ×０５０２７－００２－００２）作者简介：李金玉（１９８４一）．女，河南信阳人，硕士，主要从事海洋工程水动力方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｎｙｕｌｉｌ９８４＠ｙａＩＩｏｏ．ｅｏｌｌｌ．∞万方数据海洋工程第２８卷计算了我国第一艘深水起重铺管船在铺管作业、起重空钩状态等不同作业状态下的船体运动及吊钩的运动等关键性能参数，并结合试验结果进行分析，为深水起重铺管船的设计等提供一定的技术依据。１研究对象和海洋环境条件对该船未加尾部托管架时船的运动进行数值模拟及试验研究。表１为该船的船体参数，该船工作水深为２０００ｍ，定位方式为动力定位。表２为真实的海洋环境条件，前４种环境条件为铺管作业时的环境条件，先在这些环境下对轻载和满载两种铺管状态进行数值计算和模型试验研究，然后再对该船在５、６两种环境条件下进行起重空钩状态下的研究。表１起重铺管船船体参数Ｔａｂ．１Ｍａｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒｓｏｆｄｅｅｐｗａｔｅｒｄｅｒｒｉｃｋｒａｙｂａｒｇｅ起重铺管船的试验用的吊钩钩头重１３７．６５ｔ，根据最小和最大起重位置的要求，吊索长分别为１８．１３和８０．０５ｍ。表２海洋环境条件’ｎ山．２ｍＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ２数值计算理论基础２．１三维势流理论基础在流体为均匀、不可压缩、无粘、无旋的假定下，流动的基本方程为关于速度势的线性Ｌａｐｌａｃｅ方程，其定解条件包括非线性的自由面条件和物面条件、水底条件、辐射条件以及初始条件等【５］。对于微幅波运用线性理论可以得到定常空间速度势要满足的控制方程和定解条件如下：在流场内控制方程：７２９（ｘ，Ｙ，ｚ）＝０，一、ｔ（１）（２）（３）（４）（５）’自由表面条件：物面条件：水底条件：辐射条件：警一争＝０，在ｚ＝ｏ上在物面上凳＝竹，凳ｋ一＾＝ｏ或¨ｌｉｍ甚竖厢（鬈一ｉ肼）＝ｏ７＝ｏ式中：ｘｙ和＿分别表示物体某＿『个运动模态的运动幅值和广义法向分量，Ｒ＝／万严，ｋ为辐射波的波数。应用迭加原理，将线性速度势≯（石，Ｙ，ｚ）分解为人射势庐ｉ、绕射势声ｄ和对应于物体各运动模态的辐射万方数据第４期李金玉，等：深水起重铺管船作业性能理论与试验研究３５势‰：声：声；＋声ｄ＋∑％（６）分别建立各自的定解条件，应用源汇分布法，通过数值计算得到物体附加质量、阻尼系数和波浪力等一系列水动力特性。２．２时域运动方程铺管船船体运动方程如下［５－７］：广‘（，ｎ＋Ａ＊）茹＋Ｄｉ叠＋Ｄ２ｆ（Ｊｒ）＋Ｋｘ＋Ｊ。＾（ｆ—ｒ）；（ｒ）ｄｒ＝ｑ（ｔ，菇，五）（７）式中：ｍ为船体质量；Ａ。＝Ａ，Ａ为频域里∞一∞时的附加质量矩阵；Ｄ为阻尼矩阵；．厂为矢量函数，每个单元由Ｚ＝ｘｆ嚏Ｉ给出；Ｋ为静水力刚度矩阵；龙为位移矢量；口为激励力矢量。延时函数ｈ（ｒ）表征了由于自由面记忆效应产生的影响，由频域的附加质量或阻尼得到：ｍ）＝吾ｅｃ（础。ｓｗｒｄ∞＝一钉ｃｃ，ｏ（汕ｉｎ别ｃｃ，，（ｒ＞ｏ）（８）式中：ｃ（Ⅲ）和口（叫）分别指频域附加质量和阻尼。计算延时函数时，要求已知频域附加质量或者阻尼。常用频域阻尼来计算延时函数。激励力矢量ｑ可以表示为：ｇ（ｔ，菇，未）＝ｑｗｌ＋ｇ锯２＋ｑ。ｘｔ（９）式中：ｑｗｌ为风拖曳力；ｑ料为一阶波浪激励力；ｑ。。对于铺管船的铺管状态来说为锚泊力，对于起重状态来说为锚泊力和吊钩的作用力。ｑｗｌ为风力及风力矩，其一般表达式为：Ｆ。＝｛Ｃ。Ｐ。坨ＲＡＴ（１０）Ｆｗ＝吉Ｃ＂ｌＤ。瞧ＲＡＬ（１１）肘】【ｙｗ＝寺Ｃ；ⅣＰ。‰ＡＬＬＰＰ（１２）式中：ｋＲ为海平面上１０ｍ处的相对风速；ＡＴ为首向受风面积，ＡＬ为测向受风面积；￡ＰＰ为两立柱间长；Ｐ。为空气密度；Ｆ—Ｆｗ和Ｍ州分别为纵向风力、横向风力和首摇风力矩；Ｃ—Ｃｙｗ和Ｃ刑分别为纵向风力系数、横向风力系数和首摇风力矩系数。ｇ锹可用Ｃｕｍｍｉｎｓ提出的脉冲响应方法与频域计算中得到的波浪力来计算，即ｇ钳２＝ｌ＾ｆ（￡一ｒ）叩（ｒ）ｄｒ（１３）式中：＇７（ｒ）为ｒ时刻的波形坐标，当叩（ｒ）＝艿（ｒ）时，ｇ嵌＝ｈｉ（ｆ）是脉冲响应。而ｈｆ（ｔ）又与频域响应互为Ｆｏｕｒｉｅｒ变换，即阮（∞）＝Ｉｈ（ｔ）ｅ一“ｄｔ１，ｒ∞（１４）【ＪＩｌ（ｔ）＝刳一。五（∞）ｅ－ｉｒｏｔｄｔ式中：狄拉削ｒ）函数的定义为ｍ）＝ｋ：Ｐ＇同时满足式Ｅｍ№＿ｌｏ已知整个频率范围波浪力兀（∞），即可按式（１４）求得ｈ（ｔ），然后将ｈ（ｆ）和波浪时历叩（ｔ）代入式（１３）求得一阶波浪干扰力ｇ姒。将所求的ｇ代人方程（７）中，求得铺管船的运动。锚链的节点和吊钩的运动方程均为Ｍｘ＂＝Ｆ—Ｃｘ’一Ｋｘ（１５）式中：Ｍ为质量，Ｆ为外力，Ｋ为刚度，Ｃ为阻尼，石为位移矢量。方程（１５）与船体运动方程耦合，用前差分的数值计算方法求解船体与吊钩的运动。万方数据３６海洋工程第２８卷３数值计算３．１网格划分建立起重铺管船的几何模型，对外表面水下部分划分网格（见图１），整条船的网格数目共３５５４个。图１起重铺管船的网格划分ｒｉｇ．１Ｍｅｓｈｉｎｇｏｆｔｈｅｄｅｒｒｉｃｋｌａｙｂａ】ｆｇｅ３．２运动的时域模拟铺管状态时，由于工程上的需要，假设该船未加装尾部托管架，也未进行铺管，但具有铺管状态时的船体参数；起重状态时，假设吊臂在船的中线上，与船是刚性固定的，吊索可以弹性伸长，考虑其阻尼，忽略其质量。首先在频域中计算铺管船的水动力参数，然后在给定的风、波浪、水深和吊钩的起吊状态下，分别对起重铺管船的铺管和起重状态进行时域模拟。４模型试验模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行。实验的水池主要尺度为５０ｍＸ３０ｍｘ６ｍ（长×宽Ｘ深），可模拟各种风、浪、流海洋环境条件，并能根据试验要求在０。５ｍ间任意改变水深［７｜。该试验模型缩尺比为４９。４．１波浪的模拟水池中的不规则波浪根据给定的有义波高、周期及波谱进行模拟。所有工况均选用ＪＯＮＳＷＡＰ谱，目标谱公式：ｓ（一＝口醒丁扩５ｅｘｐ［一１．２５（耵）一４］尹一（矿‘）２／２ａ２１ｏ（１６）式中：ｓ（．厂）为谱密度（ｍ２ｓ），厂为波频（Ｈｚ），ｇ为重力加速度（ｍ２／ｓ），皿为有义波高（ｉｎ），．厶为谱峰频率（Ｈｚ），置二一’石＝１／乃，乙为谱峰周期（ｓ），），为谱峰因子。对于，＞石，ｏｒ＝０．０９，对于厂＜石，盯＝ｏ．０７。图２为造波机所造的不规则波谱与目标谱的比较。由图中可见，两者吻合程度良好。４．２风的模拟风由造风系统模拟。造风系统由安装在拖车下方的轴流风扇组成。试验中模拟定常风速为５．０、７．０、７．５、８．０和１６．０邑、、艇鲻图２ＪＯＮＳＷＡＰ波浪测量谱与目标谱的比较Ｔａｒｇｅｔａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｗａｖｅｍ／ｓ，其相应模型试验风速分别为№．２０．７１４、１．０００、１．０７１、１．１４３和２．２８６ｍ／ｓ。ｓｐｅｃｍａｍ５计算与试验结果分析５．１铺管状态下船体运动分析５．１．１满载铺管状态下船的运动分析选取００、４５０９００－－个典型的来波角度关注铺管状态下船的运动。从表３可以看出，纵摇的最大试验值为１．５３。，理论值为１．１６。；横摇的最大试验值为４．０４。，理论值为３．８３。。可见，满载铺管状态下船的横摇和纵摇都比较小，不会影响该船的作业安全。万方数据第４期李金玉，等：深水起重铺管船作业性能理论与试验研究３７５．１．２轻载铺管状态下的船的运动分析轻载铺管状态下船的横摇周期为１３．３ｓ，与波浪环境条件４（巩＝２，乃＝１２）的波浪周期最为接近，在此环境下该船会有最大横摇，因此对于轻载铺管状态只需关注环境条件４下的运动响应（见表４）。表４轻载铺管状态环境条件４下的运动响应Ｔａｂ．４Ｓｈｉｐｍ０６０ｌｌＳｌｉｅｄｅｒｐｌｐｅｔａｙ１０％ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎＥｎｖ．４从上表可以看出横摇的试验值为ｌＯ．３２。，计算值为１０．８０，此时横摇过大，建议加装减摇装置。５．２起重状态下吊钩运动分析按照大部分研究起重机的学者观点，将起重机的起吊点、吊索和钩头看成一个固定的球摆系统，船体运动被认为球摆的激振力，认为钩头运动和船体运动互相耦合［８３。文中描述的钩头运动的坐标系为三维随体坐标系，原点在船舶静止时吊钩的荤心处（如图３、４）。图３Ｆｉｇ．３８０．０５／１１吊索吊臂升起船模图Ｆｉｇ．４图４１８．１３ｍ吊索吊臂水平船模图Ｓｈｉｐｍｏｄｅｌｗｉｔｈ８０．０５ｍｓｌｉｎｇｗｈｅｎｌｉｆｔｉｎｇｄａｖｉｔＳｈｉｐｍｏｄｅｌｗｉｔｈ１８．１３ｍｓｌｉＩｌｇｗｈｅｎｌａｙｉｎｓｄａｖｉｔ本部分研究了起重机吊臂升起到最大角度和吊臂水平两种极限的起重状态，选择１８．１３ｍ和８０．０５平。由于横浪是比较恶劣的海况，所以所有载况的波浪和风的角度都为９００方向。ｍ两种长度的吊索，因此得到三种工况：８０．０５Ｉｎ吊索吊臂升起、１８．１３ｎｌ吊索吊臂升起、１８．１３ｍ吊索吊臂水从图５可以看出，吊臂升起时，吊索长为８０．０５ｍ和１８．１３Ｉｎ时船的横摇有明显的差异，由此可以证明船吊耦合的现象确实是存在的，本计算方法是可行的。万方数据３８海洋工程第２８卷从表５及图６、７可以看出，１８．１３ｍ吊索吊臂升起时钩头的运动幅度比较大，但是，在该起重条件下的船的横摇运动是较小的；８０．０５ｍ吊索吊臂升起、１８．１３ｍ吊索吊臂水平时钩头的运动幅度比较小，而船的横摇角却比１８．１３ｍ吊索吊臂升起时大很多。对比这三种工况的钩头高度，可以得到一个现象：钩头离水面距离较低时，船的横摇比较大；反之，船的横摇运动较小。１２ｊ掣８鞲辎４Ｏ８０．０５ｍ吊索１８．１３ｍ吊索１８．１３ｍ吊索８０．０５ｍ吊索１８．１３ｍ吊索１８．１３ｒｎ吊索吊臂升起吊臂升起吊臂水平耋ｉ◆圈吊臂升起吊臂升起吊臂水平（ａ）Ｅｎｖ．５（ｂ）Ｅｎｖ．６图５不同载况下的横摇对比Ｆｉｇ．５Ｒｏｌｌｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ表５不同起吊位置时钩头的运动Ｔａｂ．５ＨｏｏｋｍｏｌＪＯｌｌ８ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｔｓｅｎｇｐｏａＵｏｎｓ图６环境条件５钩头不同起吊状态时吊钩运动隐．６ＨｏｏｋｒｎｏｄｏＥｔｓｉｎ３ｅｏｎｄｉｔｉｏｍｕｎｄｅｒＥｎｖ．５图７环境条件６钩头不同起吊状态时吊钩运动Ｆｋ．７Ｈｏｏｋｒｎｏｔｉｏｌ葛ｉｎ３ｃｏｎｄｉｆｉｏｍｕｎｄｅｒＥｎｖ．６万方数据第４期１８．１３李金玉，等：深水起重铺管船作业性能理论与试验研究３９ｍ吊索吊臂水平状态和１８．１３ｍ吊索吊臂升起状态仅仅是起吊点的高度不同，起吊点越高，离水面的距离越远，起吊点的运动就越剧烈，在此激励下的吊钩运动也就越剧烈，试验和计算结果都比较好的证明了这一点。８０．０５ｍ吊索吊臂升起，１８．１３ｍ吊索吊臂升起两种工况的起吊点高度相同，但是钩头的运动差别很大。由此可见吊索长度和起吊点高度共同决定着吊钩的运动幅度，实际操作时要综合考虑这两方面的因素，优化得到最佳的吊绳长度与吊点高度。在起吊空钩的状态时，由于８０．０５ｍ吊索吊臂升起和１８．１３ｍ吊索吊臂水平时船体横摇过大，因此加装舭龙骨进行了试验（见表６）。结果表明，加装舭龙骨后，铺管船的横摇运动比无舭龙骨的状态减少５０％，相应的吊钩的运动也减ｄ，７１１１多，起吊点较高的吊钩运动的减缓效果尤为明显，根据刚体的运动规律，高的起吊点对船的运动比较敏感。建议该船实际运营时加装减摇装置，以减小船体和吊钩的运动，保证安全施工。表６加装舭龙骨前后船体横摇及吊钩运动对比Ｔａｂ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｒｏｌｌａｎｄｈｏｏｋｌｎｏｌｉｏｎｔｗｉｔｈ啊ｗｉｔｈｏｕｔｂｉｌｇｅｋｅｅｌ６结语对我国第一艘深水起重铺管船的铺管、起重状态的几种不同海况下的运动进行模拟计算和试验研究，然后将计算结果与模型试验的结果进行比较分析。结果表明该船铺管状态时在环境条件４（皿＝２，瓦＝１２）下船体摇动最为剧烈，因此需要特别考虑此环境条件下的安全设计；此外此船的横摇过大，因此要考虑加减摇措施。起重状态时，起吊点越高吊钩的运动幅度也越大；吊钩离水平面的高度对船体的横摇有一定的影响，离水面的距离越小，船的横摇越大。建议实际操作时综合考虑，优化得到最佳的吊索长度与起吊点高度。由于船体处于横浪状态下，吊钩运动比较大，因此建议实际操作时船体尽量要处在迎浪或者随浪状态。实验发现，加装舭龙骨大大的减小了起重状态下的船的横摇运动，建议实船加装减摇装置。参考文献：［１］刘嵬辉，曾宝，程景彬，等．国内外铺管船概况［Ｊ］．油气储运，２００７，２６（６）：１１－１５．［２］王永福．起重铺管船技术经济分析评价系统研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００７：１－２．［３］马珉．深水资源：中国能源可持续发展的重要领域［Ｊ］．高科技与产业化，２００８（１２）：１７—１９．［４］中海油网站．深水铺管起重船“海洋石油２０１”开工建造［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｉｌｅｈｉｎａ．ｅｏｍ／ｓｙｘｗ，２００８－０９—２６［５］刘应中，缪国平．船舶在波浪上的运动理论［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，１９８７：５６－７７，１３３—１５０．［６］杨建民，等．海洋工程水动力学试验研究［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２００７：６５，７０－７１．［７］ＯｃｒａＰｌｅｘＭａｎｕａｌ（Ｖｅｒｓｉｏｎ９．Ｏａ）［Ｍ］．Ｏｒｃｉｎａｌｉｄ．，２００５－＂１１９－１２０．［８］任会礼．锚？自起重船刚柔耦合动力学建模及其动态特性研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００８：７，１９，３１．万方数据
