半潛式起重船波浪載荷預(yù)報

吳 迪， 吳翠江， 許 蓮

(中集來福士海洋工程有限公司 研發(fā)部，山東 煙臺 264670)

0 引 言

近年來，大型起重船在海洋油氣開發(fā)、大型海上工程建設(shè)、風(fēng)電設(shè)施安裝和海難救助等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大型回轉(zhuǎn)起重船通常分為單體式起重船(Mono Hull Crane Vessel，MHCV)和半潛式起重船(Semi-Submersible Crane Vessel，SSCV)2種。2016年，上海振華重工(集團)股份有限公司自主建造的MHCV“振華30”號交付使用，單臂架固定吊重能力為12 000 t，360°全回轉(zhuǎn)吊重能力為7 000 t，曾參與“世越”號沉船打撈和珠港澳大橋施工等重大工程。2019年，荷蘭油氣工程承包商HMC(Heerema Marine Contractors)的SSCV“Sleipnir”號完成了15 300 t模塊的吊裝任務(wù)，創(chuàng)下了起重船吊裝量的世界紀錄。瑞士Allseas集團的雙體起重船“Pioneering Spirit”號是目前全球最大的海工船，長382 m，寬124 m，排水量約為90萬t，最大舉升能力約為48 000 t，主要用于拆卸和裝配海上平臺，同時具有鋪管能力。

SSCV具有寬度大、型深小、壓載艙多、穩(wěn)性和操作性好等特點，其主尺度特征和設(shè)備布置操作模式與常規(guī)貨物運輸船有很大區(qū)別。正確合理地計算波浪載荷對于此類型船舶的結(jié)構(gòu)強度評估和安全操作而言具有重要意義。對于主尺度滿足一定條件的處于航行狀態(tài)的無限航區(qū)常規(guī)船舶，國際船級社協(xié)會(International Association of Classification Societies，IACS)給出了其波浪載荷沿船長方向的彎矩和剪力的計算公式[1]。對于限定海況下處于起重作業(yè)狀態(tài)的起重船，當前沒有直接能用來計算其波浪載荷的經(jīng)驗公式。對于主尺度不滿足條件的非常規(guī)船舶，其波浪載荷主要通過模型試驗和直接計算2種方式計算，其中：模型試驗的結(jié)果較為可靠，但過程復(fù)雜，周期長，費用高；直接計算主要基于水動力分析理論，采用分析軟件完成，是船舶工程中常用的方法。國內(nèi)比較常用的船舶波浪載荷預(yù)報軟件有挪威船級社(Det Norske Veritas，DNV)開發(fā)的Sesam/HydroD、法國船級社(Bureau Veritas，BV)開發(fā)的HydroStar、美國船級社(American Bureau of Shipping，ABS)開發(fā)的Seakeeping和哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的WALCS(Wave Loads Calculation System)等。本文采用數(shù)值分析軟件Sesam/HydroD對某SSCV在航行狀態(tài)和起重作業(yè)狀態(tài)下的波浪載荷進行直接計算分析。

1 船舶概況

以某SSCV為研究對象，其布置類似于半潛船，采用三島式船型，艏部設(shè)置艏樓和生活樓，艉部設(shè)置艉浮箱，全回轉(zhuǎn)重吊最大起重能力為5 000 t，對應(yīng)的最大回轉(zhuǎn)半徑為36 m。為方便進行風(fēng)電安裝作業(yè)和減少重吊占用的甲板裝貨面積，將重吊布置在左舷靠近艉部的位置，在下潛時其基座可兼做浮箱。該船設(shè)置有很多壓載艙，既能保證船舶有足夠的下潛能力，又能控制其在重吊作業(yè)時的浮態(tài)。該船的主尺度和總布置圖分別見表1和圖1。關(guān)于型深的選擇：對于起重功能而言，型深越大對穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度越有利；對于半潛功能而言，型深越小對滿足半潛深度要求和裝載大件貨物越有利。因此，該類型船的型深應(yīng)在綜合考慮多種因素之后再確定。

表1 目標船主尺度

a)側(cè)視圖

該起重船主要有航行、重吊作業(yè)和半潛作業(yè)等3種操作模式，各操作模式對應(yīng)的設(shè)計海況見表2。

表2 目標船各操作模式對應(yīng)的設(shè)計海況

2 波浪載荷預(yù)報

SSCV在重吊作業(yè)模式下對穩(wěn)性的要求較高，因此該類型船對船寬的要求比常規(guī)的半潛船高。本文所述SSCV的主尺度比L/B=4.1，B/D=3.5，遠超過船級社規(guī)范中的波浪載荷經(jīng)驗公式適用的尺度比范圍(L/B>5，B/D<2.5)，無論是航行模式下的波浪載荷，還是重吊作業(yè)模式下的波浪載荷，都采用預(yù)報的方法計算[2]。本文采用DNV的數(shù)值分析軟件Sesam/HydroD，選取裝載手冊中典型的航行裝載工況和重吊作業(yè)工況對船舶的波浪載荷進行預(yù)報。

2.1 計算工況和參數(shù)

1)對于航行模式，選取LC02壓載和LC07滿載2種典型裝載工況。船舶可無限航區(qū)航行，采用北大西洋波浪散布圖對航行水域的波浪進行長期預(yù)報[3]，波浪譜選用P-M譜。超越概率取為10-8，該數(shù)值大致對應(yīng)于20 a一遇波浪的設(shè)計值。對船舶進行結(jié)構(gòu)疲勞評估，在計算船體疲勞載荷(垂向彎矩和水平彎矩)時，超越概率取為10-2。對于半潛作業(yè)工況，根據(jù)船級社規(guī)范(Pt5, Ch10, Sec5, 2.1.2)的要求，波浪載荷取為航行工況下的50%。

2)對于重吊作業(yè)模式，選取吊重5 000 t，側(cè)吊90°工況(LC11)和艉吊0°工況(LC12)2種典型工況，采用短期預(yù)報的方式對波浪載荷進行預(yù)報，波浪譜采用JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)譜[4-5]，該譜是P-M譜的修正，Hs=3 m, 2 s ≤Tp≤8 s，適用于限定海況(見表3)。

表3 JONSWAP譜(重吊作業(yè)狀態(tài))

在典型的航行工況(壓載和滿載)和重吊作業(yè)工況(吊重5 000 t，側(cè)吊90°，艉吊0°，該角度為側(cè)吊或尾吊與船舶中心線向船尾的夾角)下進行波浪載荷預(yù)報時的主要參數(shù)定義情況見表4。

表4 計算工況和參數(shù)

2.2 計算模型

采用Sesam的GeniE模塊建立全船濕表面模型并進行網(wǎng)格劃分，輸出有限元模型文件供后續(xù)水動力分析使用。計算輸出剖面由船尾至船首共20個，間隔均為11.2 m(見圖2)。選取一定數(shù)量的質(zhì)量點，用于模擬全船質(zhì)量的分布情況(見圖3)。每種工況下質(zhì)量點的重量和重心都應(yīng)與裝載手冊中的重量和重心保持一致。排水量與實船的誤差不大于0.1%，浮心位置與實船的誤差不大于0.1%L，能在水動力意義上準確描述實船的形狀。

圖2 船體濕表面模型和計算剖面

a)工況LC02

2.3 波浪載荷計算結(jié)果

按規(guī)范的要求對根據(jù)線性波浪理論得到的波浪載荷進行非線性修正，最終得到的波浪載荷預(yù)報結(jié)果見圖4。從圖4中可看出，垂向波浪彎矩最大值的分布位置與船舶的質(zhì)量分布有關(guān)。對于工況LC02和工況LC07而言，船舶的重心位于船中，因此彎矩的最大值出現(xiàn)在舯部。對于工況LC11和工況LC12而言，船舶的重心偏向船尾，因此彎矩的最大值偏向船尾。重吊作業(yè)工況下的波浪彎矩預(yù)報峰值約為航行工況下的波浪彎矩預(yù)報峰值的15%。對于航行狀態(tài)下工況LC02和工況LC07對應(yīng)的波浪垂向彎矩，用于進行結(jié)構(gòu)疲勞計算的預(yù)報結(jié)果(超越概率為10-2)約為用于進行結(jié)構(gòu)強度計算的預(yù)報結(jié)果(超越概率為10-8)的20%。

a)LC02垂向波浪彎矩預(yù)報值(超越概率為10-8)

將航行工況下預(yù)報得到的波浪彎矩和剪力的峰值與DNV規(guī)范值(具體見文獻[2]中的Part 3, Chapter 4, Section 4, 3)相比較，結(jié)果見表5。從表5中可看出，工況LC07下的波浪彎矩和剪力的預(yù)報值比工況LC02下的波浪彎矩和剪力的預(yù)報值大，這2種工況下的波浪載荷預(yù)報結(jié)果都比規(guī)范值大，最大彎矩約為規(guī)范值的1.4倍，最大剪力約為規(guī)范值的2.0倍，這與文獻[6]中的預(yù)報結(jié)果比較接近，進一步驗證了對于此類超尺度比的SSCV的波浪載荷，采用規(guī)范所給的經(jīng)驗公式計算無法滿足設(shè)計要求，必須采用直接計算的方法計算。

表5 航行工況波浪載荷預(yù)報結(jié)果與規(guī)范值對比

2.4 船舶運動響應(yīng)

通過波浪載荷預(yù)報，可計算得到船舶在各種工況下的運動響應(yīng)，為船體結(jié)構(gòu)評估和其他相關(guān)的設(shè)計工作提供參考。由于船級社規(guī)范沒有給出用于計算重吊作業(yè)工況下任意位置的船舶運動加速度和動壓力的經(jīng)驗公式，可通過直接計算得到相關(guān)參數(shù)，為重吊作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)強度評估提供參考。表6為工況LC11下船舶重心處加速度和船中水線面處動壓力計算結(jié)果。

表6 工況LC11下船舶重心處加速度和船中水線面處動壓力計算結(jié)果

通過直接計算波浪載荷可得到各工況下船舶的運動幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operators，RAOs)，為船舶耐波性運動預(yù)報提供參考。受篇幅限制，僅給出工況LC02下超越概率為10-8時的計算結(jié)果(見圖5)。

a)縱蕩RAOs

3 結(jié) 語

本文采用DNV的軟件Sesam/HydroD對某SSCV在航行狀態(tài)和重吊作業(yè)狀態(tài)下的波浪載荷及運動響應(yīng)進行了預(yù)報。對于該船而言，預(yù)報得到的航行狀態(tài)下的最大彎矩約為規(guī)范值的1.4倍，最大剪力約為規(guī)范值的2.0倍。重吊作業(yè)狀態(tài)下的波浪彎矩預(yù)報最大值約為航行狀態(tài)下的波浪彎矩預(yù)報最大值的15%。對于航行狀態(tài)下工況LC02和工況LC07對應(yīng)的波浪垂向彎矩，用于進行結(jié)構(gòu)疲勞計算的預(yù)報結(jié)果(超越概率為10-2)約為用于進行結(jié)構(gòu)強度計算的預(yù)報結(jié)果(超越概率為10-8)的20%。對于SSCV這類遠超船級社規(guī)范給出的尺度比適用條件的船型，采用波浪預(yù)報的方式得到的航行狀態(tài)和起重作業(yè)狀態(tài)下的波浪載荷更準確。預(yù)報得到的波浪載荷結(jié)果和船舶運動響應(yīng)結(jié)果可應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)強度和疲勞分析中，供船舶設(shè)計參考。

目前該船還處于設(shè)計階段，提到的波浪載荷計算方法和計算結(jié)果已得到DNV的認可，對同類型船的設(shè)計有很好的參考價值。