涌浪环境下大型起重船吊装上部组块耦合运动响应模型试验研究*

骆寒冰 刘玉廷 谢 芃 白晓东

（1.天津大学船舶与海洋工程系 天津 300072； 2.天津大学港口与海洋工程天津市重点实验室 天津 300072）

近年来，随着我国深海大开发战略的实施，海洋平台组块吊装施工项目越来越多。东海海洋环境极为复杂，海浪通常都以风浪和涌浪共存的混合波浪形式存在。风浪由当地海域风产生，主要特点是周期比较小；涌浪是由风减小或转向导致或是从其他海域传来的波浪，其周期较大。复杂的涌浪环境严重影响了组块的吊装施工安全和效率，因此，开展东海复杂涌浪海况下起重船吊装组块耦合运动响应的研究工作具有重大意义。

对于东海的复杂涌浪环境，国内学者已进行一些研究，如辉固环球海洋科学与环境有限公司[1]对东海海域春晓油田、平湖油田及孔雀亭油田的气象数据的规律性进行了研究，发现东海海域的波浪中同时存在短周期风浪和长周期涌浪；朱绍华等[2]基于低频分谱和高频分谱叠加的思想，提出了一种混合海浪谱的表达式。

起重船吊装作业涉及系泊系统、起重船、吊缆、上部组块等，属于复杂的耦合系统问题。国内外对于系泊起重船在吊装作业过程中耦合运动响应的研究不多，而采用模型试验手段进行的研究更是寥寥无几。Li等[3]利用SIMO软件对风机基础吊装下放到水中的整个过程进行了时域数值模拟。许鑫等[4]采用数值模拟和模型试验的方法研究了半潜式起重船空勾和最大起重时在波浪作用下的运动性能。骆寒冰等[5]采用MOSES软件对顶浪规则波下“蓝鲸”号起重船-组块的耦合运动响应进行了数值模拟分析。Zhu等[6]通过模型实验，研究了规则波及不规则波中“蓝鲸”号起重船及吊装组块耦合系统的运动响应机理。任会礼等[7]通过数值模拟研究了吊索速度及激励频率等对吊物动力响应的影响。黄宣军等[8]研究了吊装和未吊装状态下起重船的运动响应。Ha等[9]研究了起重船在吊装FLNG上部组块时，吊索的受力和起重船的运动，并对比了主动和被动垂荡运动补偿系统的影响[10]。综上所述，目前关于模拟涌浪环境下起重船吊装组块响应的模型试验研究尚鲜有报道。

本文在研究东海复杂涌浪环境资料的基础上，采用双峰谱不规则波模拟涌浪，针对“蓝鲸”号起重船对3 000 t组块进行首吊作业工况，在天津大学港口工程水池开展了模型试验研究，重点讨论了不同吊高下单峰谱和双峰谱不规则波模拟涌浪环境中起重船和上部组块的耦合运动响应特性，分析了双峰谱中涌浪成分对船舶及吊装组块的运动影响，以期为涌浪环境下大型起重船吊装组块施工作业提供参考。

1 模型试验布置及参数选取

1.1 试验模型

“蓝鲸”号起重船隶属海洋石油工程股份有限公司，最大起吊能力为尾吊7 500 t，全回转4 000 t，最常见的起吊方式为首吊。起重船的系泊系统包括8根钢缆，船舶首尾左右舷各布置2根（图1）。

图1 “蓝鲸”号起重船系泊布置Fig.1 Mooring line arrangement of“Lanjing”crane vessel

起重船吊装组块试验模型包括系泊系统-“蓝鲸”号起重船-吊缆-吊物（上部组块）组成的整个耦合系统。模型试验所用试验水池尺寸为55 m×40 m×1.8 m（长×宽×深）。模型缩尺比1∶60，试验水深1.33 m，模拟施工作业海域水深80 m。船舶模型采用玻璃钢材加工制作，上部组块采用PVC板焊接制作。模型吊机系统可通过改变吊杆角度和吊缆长度调整吊物的高度。为了覆盖整个吊装作业过程中组块的最高和最低高度，试验选取了2个吊高（组块重心高度）：48 m和25 m，实船及模型主要参数见表1。运动响应测试采用加拿大NDI Optotrak Certus三维动态测量系统，精度为0.3 mm。系泊拉力采用威思特公司的VS16微小型拉力传感器，量程为2 kg，精度为2 g。模型试验测试了船舶和组块的6个自由度运动、波浪波高、锚缆系泊力等参数，采样频率为50 Hz。模型水池试验布置情况如图2所示。

表1 “蓝鲸”号起重船吊装组块主要参数Table1 Main parameters of the“Lanjing”crane vessel lifting topside

图2 模型水池试验布置情况Fig.2 Pool test arrangement of the model

1.2 耦合系统静水特性

对模型系泊系统进行了总体刚度曲线测试，得到的纵向位移刚度曲线结果如图3所示，所有数值都已经转化为实船尺度。

图3 “蓝鲸”号起重船系泊系统刚度曲线Fig.3 Stiffness curve of the“Lanjing”crane vessel mooring system

通过静水自由衰减试验得到船舶各方向运动的固有周期参数（表2）。此外，为了研究上部组块的运动特性，还进行了上部组块的自由衰减运动试验，得到其纵荡运动的固有周期：吊高48 m时为17.4 s，吊高25 m时为19.8 s。

表2 “蓝鲸”号起重船固有周期Table2 Natural periods of the“Lanjing”crane vessel

1.3 东海涌浪环境参数

基于辉固环球海洋科学与环境有限公司[1]提供的东海相关海域涌浪数据资料，选择模型试验的涌浪参数。该波浪数据采用SWAN模型，通过数值模拟得到，包括全年各月的波高和周期等统计结果。其中，SWAN模型是由荷兰代尔夫特大学土木工程系开发、维护的。徐福敏等[11]利用SWAN模型模拟分析了东海长江口海域台风浪分布情况，并与观测数据进行了对比，验证了采用SWAN模型模拟中国东海波浪的可行性。模拟结果显示一年中5月份的波高统计结果最小，这与实际施工经验相吻合，因此选择5月份的波浪统计结果进行分析，如图4所示。图中表格中间数字代表某个波高和周期组合波浪出现的概率百分数。纵坐标中“Total”表示某个周期下所有波高波浪出现的概率，横坐标中“Total”表示某波高下所有周期波浪出现的概率，“Exceed”表示不小于该波高的所有周期波浪出现的概率。可以看出，5月份波高不大，超过1.5 m波高的概率为10.68%，不过有超过12 s长周期波浪出现。

单峰谱不规则波采用JONSWAP谱[12]，如式（1）所示：

图4 东海某施工点5月份波浪波高周期分布Fig.4 Distribution of wave height and period in the East China Sea in May

式（1）中：S（ω）为波浪的能量，m2·s；β=0.391 95×（1.094-0.019 15lnγ）／[0.230+0.0336γ-0.185×（1.9+γ）-1]；γ为谱峰因子，取3.3；ωp为谱峰频率，rad／s；ω为波浪圆频率，rad／s；H为1／3的有义波高，m；σ为峰形参数，当ω≤ωp时，σ=0.07；ω＞ωp时，σ=0.09。

双峰谱不规则波采用2个JONSWAP谱叠加的形式进行模拟，即

式（3）、（4）中：ωp1、ωp2分别为2个波浪成分的谱峰频率，rad／s；H1、H2分别为2个波浪成分的有义波高，m。

根据上述5月份数据，结合东海工程施工经验，分别选取单峰谱不规则波和双峰谱不规则波来模拟东海涌浪海洋环境。单峰谱不规则波谱峰周期选取8、11 s，有义波高为1.5 m。双峰不规则波谱在单峰波周期基础上再增加16 s谱峰周期的长峰波作为涌，合成有义波高为1.5 m。模型水池试验波浪工况见表3。

表3 模型试验波浪工况Table3 Wave conditions in the model tests

2 单谱峰波浪与双谱峰涌浪下耦合系统运动响应频谱特性分析

2.1 单峰谱波浪下耦合系统运动响应频谱特性分析

选择试验波浪工况1，顶浪、吊高48 m，对单峰谱波浪中系泊系统-起重船-吊缆-上部组块组成的耦合系统运动响应进行分析，得到了起重船纵荡、升沉、纵摇和组块的纵荡、升沉运动谱分析结果（图5），及各自由度运动的谱峰频率（表4）。

分析图5，可以看出：

1）起重船纵荡运动的主要能量集中在频率0～0.1 rad／s，这表明纵荡运动主要是由系泊起重船二阶慢漂力引起的低频运动，高频运动成分很少；

图5 单峰波浪下“蓝鲸”号起重船和上部组块运动谱分析结果Fig.5 Motion responses spectrum analysis of“Lanjing”crane vessel and topside in single peak wave

表4 单峰谱波浪作用下“蓝鲸”号起重船和上部组块运动响应谱谱峰频率Table4 Peak frequency of“Lanjing”crane vessel and topside response spectrum in single peak waves

2）上部组块纵荡运动的主要能量集中在频率0～0.1 rad／s，与起重船纵荡运动相同，但还包含很小部分频率在0.3～0.4 rad／s的成分，上部组块的纵荡固有频率在该区间内，此外还有很小部分处于0.5～0.8 rad／s的波浪频率范围，表明上部组块纵荡运动主要是由低频运动以及小部分固有频率和波浪频率的高频运动组成的；

3）起重船的升沉、纵摇以及上部组块升沉运动的能量谱分布形式相似，主要能量分布在频率0.5～0.8 rad／s，这3个运动主要是由波浪引起的高频运动响应。

2.2 双峰谱涌浪下耦合系统运动响应频谱特性分析

选择试验波浪工况3，顶浪、吊高48 m，对双峰谱涌浪中系泊系统-起重船-吊缆-上部组块耦合系统的运动响应进行分析。图6为双峰谱涌浪的时域曲线及其谱分析结果，其中右边大峰部分为谱峰周期8 s的风浪，左边小峰部分为谱峰周期16 s长周期的涌，涌所占的能量小于风浪的能量。图7为船舶和组块运动的时域曲线及其谱分析结果。表5给出了各自由度运动的谱峰频率。

分析图6、7，可以看出：

图6 双峰谱不规则波时域曲线及其谱分析结果Fig.6 Time-displacement and spectrum analysis of double peak spectrum waves

图7 双峰谱涌浪下“蓝鲸”号起重船和上部组块运动时域曲线及其谱分析结果Fig.7 Motion responses time-displacement and spectrum analysis of“Lanjing”crane vessel and topside in double peak waves

表5 双峰谱涌浪工况下耦合系统运动响应谱谱峰频率Table5 Peak frequency of the coupling system response spectrum in double peak waves

1）起重船纵荡运动的能量主要集中在0～0.1 rad／s及0.3～0.4 rad／s这2个频率区间，低频部分是由系泊起重船的二阶慢漂运动引起的，高频部分主要是由双峰谱中长周期涌导致船舶运动引起的，低频、高频两部分能量相当。而图5中单峰谱波浪下船舶纵荡运动，主要是低频成分的，高频成分很少。相对比，双峰谱情况下，高频部分能量增加明显；

2）上部组块纵荡运动的主要能量集中在频率0.3～0.4 rad／s，谱能量的数量级远大于其他运动以及单峰谱中的船舶及上部组块运动的，与图5中单峰谱波浪下上部组块纵荡运动相对比，0～0.1 rad／s的低频部分所占的比例少多了。分析其原因，主要是双峰谱中长周期涌的谱峰周期16 s接近上部组块自振周期17.4 s，上部组块纵荡运动增大，导致高频谱能量增加；

3）起重船的升沉、纵摇以及上部组块升沉运动的能量谱形式分布相似，主要能量分布在0.3～0.4 rad／s频率区间，是由长周期涌所引起的运动。有小部分能量分布在0.7～0.8 rad／s频率区间，是由短周期风浪所引起的运动。可见，尽管在双峰谱涌浪中长周期涌的能量成分相对于短周期风浪的能量来说很小，但是起重船的升沉、纵摇以及上部组块升沉运动主要是由长周期涌浪成分引起，而不是短周期风浪所引起。

3 试验结果统计分析

对上述单峰波浪和双峰谱涌浪下试验数据进行了统计分析，组块有2个吊高，共有8个试验工况。考虑到浪向为顶浪，表6中给出了纵向运动响应的有义值（峰峰值），包括起重船的纵荡、升沉、纵摇和上部组块的纵荡、升沉运动。

起重船吊装施工作业时，最关心的是上部组块的运动响应情况。从表6中可以看出：①随着风浪周期增大，即从8 s到11 s，不管是单峰谱还是双峰谱波浪工况，上部组块运动都呈现增大的趋势；②随着吊高（组块重心距离水面高度）增高，即从25 m提升到48 m，纵荡自振周期从19.8 s减小到17.4 s，上部组块纵荡运动呈现增大的趋势。主要原因是吊高增高，上部组块自振周期减小，波浪谱峰周期更接近自振周期，从而使上部组块纵荡运动变大；③当考虑涌影响，即采用双峰谱涌浪时候，上部组块纵荡运动明显比单峰谱波浪时候的要大。例如，工况1、2中吊高为25、48 m时，上部组块纵荡仅为0.57、0.58 m；而考虑涌影响，工况5、6中吊高为25、48 m，上部组块纵荡增大到4.38、9.96 m，增幅分别为668%、1 617%；④根据Nobel Denton指导性手册[13]所推荐的上部组块吊装安全施工的衡准要求，即水平运动不超过±1.5 m，垂向运动不超过±0.75 m时可进行作业，试验统计结果表明，工况1、2具备安全作业条件，而当风浪周期增大到11 s，或者存在长周期涌浪情况下，即使有义波高1.5 m不变，也不建议吊装施工作业。

表6 单谱峰波浪和双谱峰涌浪工况下耦合系统运动响应模型试验统计结果Table6 Statistical results of coupling system motions responses in single peak waves and double peak

4 结论及建议

针对东海涌浪环境下系泊系统-“蓝鲸”号起重船-吊缆-上部组块组成的耦合系统，开展了运动响应模型试验研究，分析了涌浪对起重船吊装组块作业的影响，揭示了耦合响应机理，可以得到以下结论：

1）对于起重船的纵荡运动，单峰谱时二阶波浪力引起的低频运动为主要成分，双峰谱时长周期涌高频运动成分明显增加，与低频运动成分相当；对于上部组块的纵荡运动，单峰谱时二阶波浪力引起的低频运动为主要成分，双峰谱时长周期涌频率的高频运动为主要成分，而低频运动成分很少；对于起重船的升沉、纵摇以及上部组块的升沉运动，单峰谱时主要为波浪高频率运动成分，双峰谱时主要为长周期涌高频率运动成分，而短周期波浪高频率运动成分很少。

2）涌的长周期容易接近上部组块的纵荡自振周期，会引起上部组块的纵荡共振，导致上部组块纵荡运动剧烈，即使在双峰谱波浪中的长周期涌浪能量占的比例很小，上部组块运动也会显著增大，不能满足安全作业要求。因此，在现场吊装大型组块时建议实时监测海浪状况，注意波浪中长周期涌成分及其对上部组块运动的影响。