低频涌浪环境下“海洋石油201”运动特征模型试验研究

孙国民，雷震名，何　宁，闫澍旺，李　嘉

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300451;2．天津大学建筑工程学院，天津300072)

低频涌浪环境下“海洋石油201”运动特征模型试验研究

孙国民1，雷震名1，何宁1，闫澍旺2，李嘉2

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津300451;2．天津大学建筑工程学院，天津300072)

摘要:为了分析起重铺管船“海洋石油201”在低频涌浪环境中横摇过大的原因，对“海洋石油201”横浪和迎浪条件下在不同周期和波高的涌浪作用下的运动特性进行模型试验，试验结果表明铺管船遭遇与其横摇固有周期接近的涌浪时发生谐摇导致其横摇运动过大。用图解法求解了铺管船横浪条件下谐摇时的横摇角幅值，对试验结果和理论的差异进行了分析。

关键词:低频涌浪;“海洋石油201”;运动特征;模型试验

Model experimental study on‘Hai Yang Shi You 201’motion characteristics affected by low frequency surges

SUN Guo-min1，LEI Zhen-ming1，HE Ning1，YAN Shu-wang2，LI Jia2(1．Offshore oil engineering co．，Ltd．，Tianjin 300451，China; 2．School of civil engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract:In order to analysis the reason why the rolling amplitude of the pipe laying and lifting barge‘HAI YANG SHI YOU 201’is large in low frequency surge environment，the model of‘HAI YANG SHI YOU 201’was made，model tests of the barge in swells with different periods and wave heights were carried out respectively．The test data proved that synchronous rolling will happen when swells' period near barge's natural rolling period．The rolling amplitude was calculated by graphical method，and differences between test and theoretical explanation were analyzed．

Key words:low frequency surges;‘HAI YANG SHI YOU 201’; motion characteristic;model test

0　引言

铺管船是海上油气田开发的重要装备，承担着海底管线的铺设以及结构物安装等施工任务。海底管道铺设时需要将分段的管道在铺管船上焊接，铺管船的稳性直接影响铺管质量，运动幅度过大会导致施工无法进行［1］。在近期进行的我国某海域开发中，该海域的低频涌浪环境对起重铺管船产生了严重影响，造成船舶海上待机时间和施工费用显著增加。

海浪是船舶在海上产生摇荡运动的最主要因素，风浪和涌浪是海浪的2种主要表现形式。涌浪可能是由别处的风引起的海浪传播而来，也可能是风停止或风削弱后，或改变了风向而形成［2］，研究人员很早就注意到了低频涌浪的现象，1947年，Munk［3］就在英国Pendeen观测到了周期约15～24 s的涌浪，1988年，Gjevik［4］在挪威海观测到周期20～25 s的涌浪。

涌浪具有较规则的外形，排列比较整齐，波峰线较长，波面平滑，接近于正弦波的形状。在涌浪的传播过程中，频率大的组成波衰减得快，频率小的衰减得慢，随着传播距离的增加，高频分量所占有能量的比例越来越小，而低频的波分量则相对地起到支配作

用，因而在传播过程中，涌浪的外观周期将不断增大，而波面陡度则变得越来越小，在海上难以发觉。

“海洋石油201”号起重铺管船在该海域施工发生强烈横摇运动时该海域风速较低，风浪并不明显，而波浪监测结果显示该海域存在低频涌浪成分，本文通过模型试验研究低频涌浪对铺管船运动的影响，并提出相关建议。

1　铺管船运动特征模型试验

1.1铺管船模型设计

试验以“海洋石油201”号起重铺管船为目标船型，该船是我国第1艘深水铺管起重船，作业水深可达3 000 m。铺管船铺管作业需要具备一定的运动衡准，“海洋石油201”采用的可作业运动衡准是:横摇角小于2.5°;纵摇角小于2°［5］。

模型采用玻璃钢制成，模型船的主要参数如表1所示，模型如图1所示。

表1　“海洋石油201”模型船主要参数Tab.1 Main data of the scale model of‘HAI YANG SHI YOU 201’

图1　船体模型示意图Fig.1　Body plan of the model

1.2铺管船运动特征模型试验方案

铺管船在波浪中可能产生的6个自由度的摇荡运动，其中垂荡、横摇和纵摇是由于恢复力(矩)作用产生，其特征是以平衡位置为中心做周期性摇荡运动，“海洋石油201”以横摇和纵摇为可作业运动衡准的指标，是本试验研究的重点。

试验在天津大学船模试验水池进行，该水池尺度为137 m (长)×7 m (宽)×3 m (深)，水池一端为消波装置，另一端安装了摇板式造波机。试验时浪高距造波机约30 m，铺管船模型距造波机约35 m，浪高仪和铺管船模型均布置在水池宽度方向的中央位置。

由于铺管船作业时速度很小，不同工况下的模型试验铺管船航速均为0，铺管船模型横浪和迎浪条件下试验内容分别如表2和表3所示。

表2　铺管船横浪条件试验内容Tab.2　Test contents of model in beam sea

表3　铺管船迎浪条件试验内容Tab.3　Test contents of model in longitudinal waves

1.3模型船运动的测量

采用非接触式光学运动姿态测量系统测量模型船的运动，该系统基于立体视觉原理［6］构建，基本原理如图2所示。

试验时在模型船上布置3个LED光点作为示踪点，通过2部相机追踪示踪点的位置变化，计算机经过图像处理、三维重构和运动参量分解确定模型船6个自由度的运动，采样频率为30 Hz。该方法无具有无干扰、精度高、便于操作等优点。

图2　立体视觉基本原理Fig.2　The fundamental of stereoscopic

2　试验结果

2.1铺管船模型横浪条件试验结果

试验得到横浪条件不同工况下铺管船模型运动稳定后的横摇和纵摇的运动幅值，以铺管船模型遭遇涌浪的周期为横坐标，铺管船模型横摇角幅值和纵摇角幅值为纵坐标，得到铺管船模型运动随涌浪周期变化规律如图3所示。

图3　“海洋石油201”模型横浪时遭遇不同周期涌浪时铺管船运动规律Fig.3　Motion rule in beam sea

由图3可知，在铺管船模型遭遇涌浪的周期接近铺管船模型横摇固有周期时铺管船模型发生了明显的谐摇，此时横摇、纵摇运动剧烈，纵摇不超过2°，在可作业衡准范围之内，横摇角幅值约为18°，远远超出可作业衡准。

铺管船模型遭遇周期为1.39 s，波高5 cm涌浪时，实时记录的波高和横摇运动时历曲线如图4所示，可见铺管船模型遭遇该涌浪时横摇运动幅度迅速增大。

图4　“海洋石油201”模型横浪谐摇时波高和横摇时历曲线Fig.4　Wave height and synchronous rolling time history curves in beam sea

2.2铺管船模型迎浪条件试验结果

试验得到迎浪条件不同工况下铺管船模型运动稳定后的横摇和纵摇的运动幅值，以铺管船模型遭遇涌浪的周期为横坐标，铺管船模型横摇角幅值和纵摇角幅值为纵坐标，得到铺管船模型运动随涌浪周期变化规律如图5所示。

由图5可知，在铺管船模型遭遇涌浪的周期接近模型船横摇固有周期时模型船谐摇现象仍较显著，铺管船模型运动稳定后的单侧横摇角约为5.5°，虽和横浪时相比明显减小，但横摇幅值仍然超出可作业衡准，谐摇区范围也有明显减小，如模型船在遭遇涌浪周期为1.39 s时横摇较明显，遭遇涌浪的周期为1.27 s和1.50 s时横摇角幅值均很小。

铺管船模型遭遇周期为1.39 s，波高5 cm涌浪时，实时记录的波高和横摇运动时历曲线如图6所

示，和模型船横浪试验结果相比，横摇运动从开始到稳定需要的时间更长。

图5　“海洋石油201”模型迎浪时遭遇不同周期涌浪时铺管船运动规律Fig.5　Motion rule in longitudinal waves

图6　“海洋石油201”模型迎浪时波高和横摇时历曲线Fig.6　Wave height and synchronous rolling time history curves in longitudinal waves

3　铺管船谐摇横摇角幅值的近似求解与分析

3.1谐摇时横摇幅值的近似计算

基于船舶在规则波中的线性理论得到船舶的横摇运动解答:

当船舶遭遇涌浪的周期接近其横摇固有周期，即式中Λ= 1时，当2 μφφ较小时船舶横摇可以达到很大值，即发生谐摇。事实上船舶横摇幅值较大时属于典型的非线性问题，但非线性微分方程求解困难且难以得到精确解，图解法［7］是确定非线性横摇角幅值的一种实用方法，假设水无阻尼，可得到船每横摇半个周期横摇幅的绝对值增大为:

考虑水的阻尼，假设船稳定横摇时扰动力矩使船横摇幅增加恰好同阻尼力使船横摇幅减少相等，可以求出横摇角幅值。试验得到的横摇衰减曲线和根据衰减曲线得到的消灭曲线如图7和图8所示。

图8　横摇消灭曲线Fig.8　Curve of extinction

以铺管船模型遭遇涌浪周期1.39 s，波高3 cm工况为例，用图解法近似估算其横摇角幅值。“海洋石油201”号铺管船模型的吃水与波长之比T/λ= 0.04，船宽与波长之比B/λ= 0.16，水线面系数约为0.81，竖向棱形系数约为0.91，吃水和船宽有限性修正系数约为0.80和0.97，谐摇时每半周期横摇幅增大⊿φ约为1.40°，由消灭曲线可得横摇幅约为11.5°。

图解法得到的横摇角幅值均比试验结果偏小，采用上述方法低估了铺管船谐摇时的横摇运动的强度。

3.2理论与试验的差异分析

理论上讲，左右对称的船舶在规则波中处于绝对的迎浪状态时不会发生横摇，因此调整航向角是减轻谐摇危害的有效方式，试验结果也表明铺管船模型由横浪调整为迎浪时横摇角幅值明显降低，但铺管船横摇运动并未完全消失，这和铺管船遭遇涌浪时调整为迎浪状态也未能避免横摇的现象是一致的。

理论建立过程中引入了很多假说，如假设作用在船体上的规则波是平面进行波、船舶各自由度的运动相互独立等，这些假设将复杂的实际情况进行了简化以便于建立数学物理方程，但一定程度上又造成了模型和实际涌浪的差别，实际海洋环境复杂多变，周期和船舶横摇固有周期相等的涌浪成分极易引起船舶的横摇，同时海洋中其他海浪成分也对船舶产生影响，使船舶发生复杂的运动。

4　结论和建议

针对我国某海域低频涌浪环境使铺管船产生了强烈的横摇，即使调整为迎浪状态也未能避免，严重影响了海底管道的正常铺设安装的工程问题，对“海洋石油201”号起重铺管船横浪和迎浪条件下在不同周期和波高的涌浪作用下的运动特征进行了模型试验研究，综合不同工况下的试验结果，可得如下结论:

1)铺管船遭遇与其横摇固有周期接近的涌浪时发生谐摇是铺管船横摇运动过大的原因;

2)铺管船横浪时遭遇涌浪的周期与其横摇固有周期接近时发生谐摇，谐摇时横摇角幅值明显增大，远超出可作业运动衡准;

3)铺管船迎浪时遭遇涌浪的周期与其横摇固有周期接近时谐摇现象仍较明显，谐摇时横摇角幅值仍有明显增大，超出可作业运动衡准。

低频涌浪波长较长且波面光滑，海上甚至难以发觉，铺管船一旦遭遇特定周期涌浪会引起横摇过大无法施工，且铺管船受到正在铺设的管道影响，难以通过调整航速和航向角等常规方法减轻谐摇影响，造成铺管船和配套设备海上待机和工程费用剧增。建议对该海域海况进行进一步调查和统计分析，总结该海域涌浪的季节性等规律，在确定施工作业气候窗口时增加涌浪周期作为铺管船出海的依据。

参考文献:

［1］黄维平，曹静，张恩勇．国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势［J］．海洋工程，2011，29(1) :135－142．

［2］范佘明，盛子寅，陶尧森，等．船舶在波浪中的操纵运动预报［J］．中国造船，2001，42(2) :26－33．

［3］MUNK W H．A critical wind speed for air-sea boundary processes［J］．J．mar．Res．，1947，6:203－218．

［4］GJEVIK B，RYGG O，KROGSTAD H E，et al．Long period swell wave events on the Norwegian shelf［J］．Journal of physical oceanography，1988，18(5) :724－737．

［5］许文兵，邱海荣．深水铺管起重船总体性能研究［J］．中国造船，2014，55(6) :174－186．

［6］朱效明，高稚允．双CCD立体视觉系统的理论研究［J］．光学技术，2003，29(3) :298－300．

［7］李积德．船舶耐波性［M］．哈尔滨:哈尔滨工程学院出版社，1992．

作者简介:孙国民(1966－)，男，高级工程师，从事海洋工程设计工作。

收稿日期:2015－05－17

文章编号:1672－7649(2015) 07－0029－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.007

中图分类号:U674．76

文献标识码:A