3 000 m起重鋪管船鋪管作業(yè)率研究

王建偉，孫麗萍，艾尚茂，孫為本

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

3 000 m起重鋪管船鋪管作業(yè)率研究

王建偉，孫麗萍，艾尚茂，孫為本

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

針對3 000 m起重鋪管船的運動性能，對其鋪管作業(yè)率做了相應(yīng)的研究。將模型試驗得出的規(guī)則波運動響應(yīng)的每個自由度的n個數(shù)據(jù)點通過樣條差值的方法編寫到不規(guī)則波響應(yīng)譜中，并采用變步長勒讓德－高斯積分的方法求解出船舶不規(guī)則波運行的單幅最大值。同時，與SESAM程序軟件的計算結(jié)果作對比，經(jīng)研究，驗證了該計算方法的有效性。最后，將計算出的一系列單幅最大值與相應(yīng)校準值作比較，根據(jù)海況資料，將所有滿足條件的一系列不規(guī)則波的發(fā)生概率相加，則起重鋪管船在特定工況下的鋪管作業(yè)率得到了求解。

深水；起重鋪管船；傳遞函數(shù)；不規(guī)則波；鋪管作業(yè)率

隨著海洋石油天然氣開發(fā)的不斷深入，海洋管道的作用顯得越來越重要，而對于海洋管道鋪設(shè)的專用設(shè)備－鋪管船的關(guān)注程度也在不斷提高［1］。迄今為止，很多學(xué)者將注意力放在了研究起重鋪管船上。Rammant等［2］介紹了起重鋪管船分別在普通海況和惡劣海況下設(shè)計方法，并研究了鋪管的動力運動響應(yīng)。而Clauss等［3］也主要研究了在鋪管過程中管道的動力分析。Szczotka［4］曾提出采用動態(tài)和準靜態(tài)模型的方法分析鋪管過程。而You等［5］則對起重鋪管船在運動過程中的橫搖阻尼做了相應(yīng)的研究。

文中主要是通過數(shù)值處理模型試驗得出傳遞函數(shù)的方法來評估起重鋪管船作業(yè)率。利用賀俊松［6］提出的求解載荷響應(yīng)譜方程式，直接得出了在一種不規(guī)則波作用下的載荷響應(yīng)譜，并作簡單的運算，得出了起重鋪管船的單幅有義波和單幅最大值。最后，參考張進豐等［7］針對鋪管作業(yè)率的研究，結(jié)合本文的計算方法可以得出在某一區(qū)塊下起重鋪管船的作業(yè)特性，評估出了該起重鋪管船在特定工況和海域下的鋪管作業(yè)率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 載荷的響應(yīng)譜

應(yīng)用頻域理論對于船舶的短期波浪載荷做直接計算。因為文中計算的海況資料是由一系列的JONSWAP譜定義的。所以，不規(guī)則波波譜選為JONSWAP譜。JONSWAP波形譜［7］（γ＝3.3）的譜密度為

波浪特征周期T01與譜峰周期Tp關(guān)系為

文中采用模型試驗得出船舶的運動幅值傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)是速度U、頻率ω和浪向μ的函數(shù)，可表示fj（U，ω，μ），j＝1，2，…6分別表示船舶6個自由度的運動模式。如此船舶在j模式下的載荷響應(yīng)譜［8］Sj（u，H1／3，T01，μ，ω）為：

載荷響應(yīng)譜Sj（u，H1／3，T01，μ，ω）的零階矩［8］為

因此，其載荷過程的方差為

運動方差m0j確定后，第j模式運動的單幅有義值可以由下式求出：

第j模式運動的的單幅最大值為：

1.2 起重鋪管船的鋪管作業(yè)率

在某一特定的海域下，由一系列的JONSWAP波譜描述，并給出每一對（TP，H1／3）所對應(yīng)的波譜發(fā)生概率。依據(jù)第1.1節(jié)中得出的不規(guī)則波作用下的單幅最大值公式，可以分別求出該區(qū)塊下包含的所有不規(guī)則波作用下的單幅最大值，并與相應(yīng)的準則做校準，將不滿足條件的不規(guī)則波除去，并將所有滿足條件的波譜的發(fā)生概率相加，其和就是該起重鋪管船在某作業(yè)工況下的鋪管作業(yè)率。

其中，鋪管作業(yè)率計算浪向為頂浪180°、艏斜浪135°和橫浪90°。在全浪向下作業(yè)計算時，要分別確定各浪向的權(quán)系數(shù)，本文中采用的權(quán)系數(shù)［7］分別為頂浪180°（加權(quán)系數(shù)0.25）、艏斜浪135°（加權(quán)系數(shù)0.50）和橫浪90°（加權(quán)系數(shù)0.25）。

該起重鋪管船在某鋪管作業(yè)下的作業(yè)率為：

式中：p（A）為在區(qū)塊A下的全浪向作業(yè)率；p（A，αi）（i＝1，2，3）為在區(qū)塊A下的某浪向下的作業(yè)率；βi（i＝1，2，3）為某浪向下的加權(quán)系數(shù)。

2 模型試驗結(jié)果

文中主要是對深水鋪管起重船的運動型能做研究，其模型與實船的縮尺比為λ＝48.684，主尺度如表1所示。

表1 主尺度Table 1 Principal dimension

圖1為安裝了托管架的模型，圖2為模型在10 m水深中進行試驗。在圖2中，模型甲板上有3個光球，通過利用光學(xué)儀器測量光球的運動響應(yīng)，可以得出起重鋪管船的傳遞函數(shù)。為了獲得該船的載荷傳遞函數(shù)，需要對其進行規(guī)則波試驗，試驗浪向分別為頂浪180°、艏斜浪135°、橫浪90°、艉斜浪45°和隨浪0°，所有試驗均在零航速下進行。規(guī)則波波高取1／50船模長度約為82 mm。

圖1 安裝了托管架的船模Fig.1 Ship model installed stinger

圖2 水中試驗的船型Fig.2 The spherical shock wave acting on a rigid plate

為了驗證程序的計算結(jié)果，將其與SESAM軟件的計算結(jié)果作對比。運用SESAM軟件GENIE模塊所建的模型，網(wǎng)格密度取為2 m，共3 533個網(wǎng)格，然后將模型導(dǎo)入到HYDROD模塊中進行水動力計算，導(dǎo)入HYDROD模塊中的模型如圖3。

圖3 SESAM軟件模型Fig.3 Software Model

圖4 模型試驗與SESAM軟件的對比結(jié)果Fig.4 The comparison between model tests and SESAM software

圖4 為模型試驗與SESAM軟件的計算結(jié)果。分別為垂蕩、縱搖和橫搖運動響應(yīng)。在采用HYDROD模塊進行水動力計算時，其橫搖的臨近界阻尼為0.07。通過對比模型試驗與SESAM軟件的計算結(jié)果，在一些局部的地方會有誤差，造成兩者誤差的主要原因是造波機造的波浪與標準值之間有誤差和水池的池壁效應(yīng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 載荷響應(yīng)譜的數(shù)值模擬

由于本文的計算對象為起重鋪管船，根據(jù)船的工作特點，要求其工作海況均較為平和。文中所采用的不規(guī)則波譜為JONSWAP譜，具體參數(shù)為有義波高H1／3為1.5 m，譜峰周期Tp為12 s。

圖5 SESAM軟件與數(shù)值模擬的對比結(jié)果Fig.5 The comparison between SESAM software and numerical simulations

分別選取浪向角為180°時垂蕩運動響應(yīng)和縱搖運動響應(yīng)。將頂浪時垂蕩和縱搖的傳遞函數(shù)與特定的不規(guī)則波波譜代入式（3），得出載荷響應(yīng)譜。

圖5分別為垂蕩和縱搖運動的載荷響應(yīng)譜，同時，分別與SESAM軟件對該艘船進行水動力分析得出的計算結(jié)果作對比，曲線趨勢基本相同。驗證了計算程序的有效性。需要注意的是，為了統(tǒng)一計算結(jié)果，在求解縱搖運動響應(yīng)譜時，需要將角度轉(zhuǎn)化成弧度。對載荷響應(yīng)譜的零階矩m0j求解，根據(jù)式（4），即分別對圖5中的曲線進行積分，結(jié)果如表2。通過與SESAM軟件計算結(jié)果的對比，兩個自由度的有義值的計算誤差分別為5.74%和4.44%。形成差別的最主要原因是船模試驗得出來的傳遞函數(shù)與運用SESAM軟件計算出來的傳遞函數(shù)在局部曲線處的不同。

表2 方差和有義值計算結(jié)果Table 2 Results of the integral

3.2 作業(yè)率的計算結(jié)果

表3 縱搖運動的單幅最大值（浪向角為135°）Table 3 The maximum values of pitch（wave direction 135°）

在給出該起重鋪管船在某工況下的鋪管作業(yè)率時，衡準值采用縱搖單幅最大值＜2.0°，橫搖單幅最大值＜2.5°，該作業(yè)衡準值與荷蘭Gusto公司作業(yè)率［7］計算相同。如表3、4所示，直線圈出的不規(guī)則波為不滿足校準準則的部分，除去該區(qū)域，可以得出該起重鋪管船的鋪管作業(yè)率。因為縱搖和橫搖運動在浪向角分別為90°和180°時，運動幅值很小，所以可以省略。同理，分別計算出橫搖運動在浪向角為90°和135°的結(jié)果。表5～7為該鋪管船在A區(qū)域不同浪向角下的發(fā)生概率。

表4 縱搖運動的單幅最大值（浪向角為180°）Table 4 The maximum values of pitch（wave direction 180°）

表5 鋪管作業(yè)率（浪向角為180°）Table 5 Operation probability（wave direction 180°）

表6 鋪管作業(yè)率（浪向角為135°）Table 6 Operation probability（wave direction 135°）

表7 鋪管作業(yè)率（浪向角為90°）Table 7 Operation probability（wave direction 90°）

根據(jù)不規(guī)則波的發(fā)生概率，起重鋪管船的鋪管作業(yè)率可以求出。

根據(jù)式（8），計算得出該起重鋪管船在區(qū)塊A下的全浪向鋪管作業(yè)率為：

在區(qū)塊A中，頂浪180°時的作業(yè)率為95.30%，首斜浪135°時的作業(yè)率為90.72%%，橫浪90°時的作業(yè)率為44.41%，全浪向作業(yè)率為80.29%。因此，該起重鋪管船在該作業(yè)工況下橫浪作業(yè)時的作業(yè)率為最低，頂浪時的作業(yè)率為最高。所以，該起重鋪管船應(yīng)該避免在橫浪時作業(yè)，盡量在頂浪時作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文針對起重鋪管船的模型試驗得出來的規(guī)則波下船的傳遞函數(shù)，獨立的編寫了一套程序，使其能夠?qū)⑦@一系列的數(shù)據(jù)點進行數(shù)值模擬。應(yīng)用求解出的傳遞函數(shù)，得出不規(guī)則波下的載荷響應(yīng)譜，同時，將數(shù)值計算的結(jié)果與SESAM程序系統(tǒng)的結(jié)果作對比。利用該方法計算出某區(qū)塊下所有不規(guī)則波響應(yīng)譜下的船舶載荷響應(yīng)的單幅最大值，并根據(jù)相應(yīng)準則做校準，將滿足條件的不規(guī)則波波譜在該區(qū)域的發(fā)生概率相加，則分析出該起重鋪管船在特定海域下的鋪管作業(yè)率。最后，由于鋪管作業(yè)率的計算對于起重鋪管船的評估有很重要的作用，因此，本文為工程計算提供一種可靠且實用的計算方法。

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Study on the operation capability of a 3 000 m pipe?lay vessel

WANG Jianwei，SUN Liping，AI Shangmao，SUN Weiben
（School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

This paper studies the operation capability based on the motions of a 3 000 m pipe?lay vessel.The n data points of each degree of freedom of regular wave response that are derived from model test are input into the irregu?lar wave response spectrum through the spline interpolation method，and the single amplitude＇s maximum values of the vessel are obtained by using the variable step Legendre?Gauss integral method.At the same time，the calculated result is compared with that of the SESAM software program.This study validates the effectiveness of the proposed method.A series of maximum values of single amplitude are obtained and through the comparison with the critical values，all of the probabilities of relative irregular waves，which meet the critical requirements，are added up and the operation capability of pip?lay vessel under the specific condition is thus acquired.

deep?water；pipe?lay vessel；transfer function；irregular wave；operation capability

10.3969／j.issn.1006?7043.201309020

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150414.1652.020.html

U661.1

A

1006?7043（2015）05?0644?05

2013?09?05.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015?04?14.

工信部高技術(shù)船舶科研基金資助項目（Z12SJENA0011）.

王建偉（1988?），男，博士研究生；

孫麗萍（1962?），女，教授，博士生導(dǎo)師.

孫麗萍，E?mail：sunliping＠hrbeu.edu.cn.