风向和流向不同时的工程船就位方式优化分析

毕远涛

(烟台打捞局， 山东烟台 264012)

在大丰H3海上升压站施工工程中，3 800 t全回转浮吊船“宇航起重58”在完成导管架安放和钢桩沉桩后撤离现场，烟台打捞局工程船“芝罘岛”在导管架旁顺流就位，进行焊接和灌浆等后续施工。因风向和流向不同，“芝罘岛”横摇2°多，无法起吊作业。通过对现场风速、风向、流速和流向等进行分析，综合考虑“芝罘岛”船舶主尺度和锚泊的设备性能，最终决定改变锚点位置，调整船舶艏向，由顺流就位改为迎风就位。在多次细微调整艏向和锚链长度后，横摇明显减小，“芝罘岛”船舶吊臂可正常起落，后续施工平稳进行。

1 顺流就位横摇角度大

1.1 现场流向与风向

施工区域潮汐性质为非正规半日浅海潮，平均高潮位2.09 m，平均低潮位-1.65 m，最高潮位3.34 m，最低潮位-2.97 m(1985年国家高程基准)。平均涨潮历时5 h 59 min，平均落潮历时6 h 25 min。流向为南北方向(偏西)，涨潮流向200°，退潮流向345°，平均流速约2 kn。现场潮流方向见图1。

图1 现场潮流方向图

现场风向与涌浪方向一致，施工期间绝大多数风力为东南向，波浪方向也以东南向为主，波高为0.3～1.0 m，周期为3～5 s。现场波浪频率玫瑰图见图2。

图2 现场波浪频率玫瑰图

1.2 顺流就位

拖船“德滋”拖带主作业船“芝罘岛”至导管架东侧，考虑到现场流向主要为南北向和方便后续起吊作业，“芝罘岛”船舶平行于导管架、船长沿南北方向就位，距导管架约20 m,艏向为0°，艏艉各抛3只定位锚，见图3。此就位方式基本为顺流就位，拖船、交通船和驳船可方便地傍靠“芝罘岛”船舶右舷。

现场风向和浪向一致，主要为东南向，而流向为南北向，浪向与流向存在30°～50°的偏角。“芝罘岛”船舶顺流就位，在右舷遭受波浪的影响，且波浪周期与船舶横摇周期接近，“芝罘岛”船舶横摇2°多，无法正常进行起吊作业。甚至在风力和涌浪较小时，“芝罘岛”船舶横摇依然十分明显，严重影响导管架基础的后续施工。

2 对船舶横摇的分析

针对“芝罘岛”船舶顺流就位横摇较大的问题，结合船舶横摇原理，对现场海况和船舶特点进行分析，找到横摇较大的原因，为优化就位方式、减小横摇厘清思路。

图3 “芝罘岛”船舶顺流就位图

2.1 船舶横摇运动方程

在传统的船舶横摇运动方程中，风和流对横摇的影响相对于波浪作用为小量，一般可忽略[1]，根据能量守恒定律，有

(1)

由式(1)可知:风和流对横摇的直接影响较小。而对于施工船舶来说，船体结构和重量分布基本上为固定值，无法随意变化，唯一方便调整的只有波浪扰动力矩，可通过改变船舶艏向、减小船舶受浪面积来减小波浪的影响，从而减轻横摇。[3]

2.2 船舶参数激励-强迫激励非线性运动微分方程

一般情况下，风向和波向一致，船舶在纵浪(迎风)状态下，主要发生纵摇和垂荡运动，横摇幅值很小。但傅鲁德在船舶试验中发现:船舶垂荡固有频率是横摇固有频率2倍时，会激发产生大幅值的复杂横摇运动，当时无法解释这一现象。在全世界范围内发生的多起集装箱船海难事故中，船舶按照航海规范迎浪减速航行，依旧发生大角度横摇甚至倾覆事件，造成重大船舶损失。[4]这些事故直接推动了学术界对船舶参数激励横摇现象的研究。船舶在纵浪状态下与波面相对位置的变化导致其瞬时湿表面积的迅速变化，造成船舶初稳心高发生变化，船舶横摇恢复力矩随之产生非线性变化，进而导致船舶横摇稳性发生变化，表观现象为船舶剧烈横摇，即船舶参数激励横摇。[5]在波长等于船长、波浪频率为船舶横摇固有频率的2倍时，参数激励横摇最为严重，横摇角可达30°以上。

船舶在斜浪状态下的波浪分解为船长方向(纵向)和船宽方向(横向)两个分量，纵向波浪可能会引起船舶参数激励横摇；而由于左右舷可能存在波面高度差，船舶会受到横向波浪的强迫激励力矩作用，产生强迫激励横摇。参数激励与强迫激励联合作用，对船舶横摇产生复杂且重大的影响。[6]

假设波浪激励频率与参数激励频率一致，在参数激励-强迫激励联合作用下的船舶横摇微分方程[7]为

hcos(ωet)]·φ=E0sin(ωet+δ0)

(2)

目前,针对式(2)有多种解法，本文不再赘述。在斜浪状态下，参数激励与强迫激励联合比单独的参数激励或强迫激励造成的船舶横摇更加剧烈，对船舶安全的危害更大。

2.3 “芝罘岛”船舶横摇分析

“芝罘岛”船舶长为109 m，宽为27 m，型深为7.2 m，满载吃水4.2 m。船体水线以下部分近似于方形，基本无型线变化。艏部为居住区，艉部为350 t全回转吊机。船舶艏艉各有4只定位锚，锚钢丝长度为1 000 m，艏部另有2只航行锚。“芝罘岛”船舶海上就位图见图4,其结构和锚链分布见图5。

“芝罘岛”船舶初期采用平行导管架、顺流就位方式，船向与浪向有30°～50°夹角，即船舶受斜向不规则波浪影响。斜向不规则波浪在横向的分量直接冲击“芝罘岛”船舶舷侧会造成明显的强迫激励横摇，应尽量避免。在纵向波浪分量作用下，“芝罘岛”船舶水线面面积会随时发生变化。当水线面面积比静水中小时，船舶横稳心高和横摇恢复力矩减小，稳性下降，纵向的参数激励横摇与横向的强迫激励联合作用，使“芝罘岛”船舶发生较为复杂和明显的横摇，因此船舶无法正常进行起吊施作业。如果调整艏向，改变波浪作用方向，将有利于减轻参数激励-强迫激励横摇。[9]

图4 “芝罘岛”船舶海上就位图

图5 “芝罘岛”船舶结构和锚链分布图

现场海域波长约3～5 m，波长与船长(109 m)相比为小值，因此波浪直接引起的纵摇较小。“芝罘岛”船舶自身重量较大，垂荡较小，又因船底为方形，垂荡造成的水线面面积变化较小。参数激励横摇的主要原因是纵摇和垂荡造成大幅值的横摇，由于“芝罘岛”船舶的结构特点，可判断在参数激励-强迫联合激励中，纵向的参数激励对船舶横摇影响较小，横向的强迫激励对横摇影响占主要部分。

现场流速较快，但对船舶的影响以流压力为主，对横摇影响较小。“芝罘岛”船舶具有6只7.25 t和2只6.50 t定位锚，海底为泥砂底，锚抓力能够解决流压力压迫船舶的问题。如果调整船舶艏向，使船长方向与波浪方向(风向)一致，可明显减弱强迫激励横摇，参数激励横摇因波长小而影响有限，船舶稳定性会得到有效提高。[10]

3 就位方式优化调整

3.1 横流顺风就位

“芝罘岛”船舶根据此前对横摇的分析和现场海况调整锚位，艏向由0°调至300°，由船长沿南北方向就位改为东南西北方向就位。同时,加抛6号锚，船舶处于导管架东北侧，最近处距导管架约为20 m(见图6)，该就位方式基本上为迎风(纵浪)、横流。为避免流压力造成船位移动而碰撞导管架，“芝罘岛”船舶多次细微调整锚钢丝长度，使锚钢丝都带力，增强锚泊的稳定性。1#、4#和8#锚点经过位置谨慎选取，保证船舶横向位置处于可控状态，2#、6#和7#锚点使船舶纵向可适度调整。在风向和浪向转变时，可通过收放锚钢丝改变船舶方向，使船舶始终处于顺风顺浪状态。

图6 “芝罘岛”船舶横流顺风就位图

“芝罘岛”船舶在调整至横流迎风迎浪就位方式后，船舶稳定性明显提高。由于船舶横向无波浪冲击，而纵向波浪波长较短，对船舶横摇的影响很小，因此横摇角减小至0.2°以下，“芝罘岛”船舶吊臂可顺利起落，导管架基础后续施工得以正常有序进行。

3.2 横流顺风就位注意事项

“芝罘岛”船舶横流就位，顺利解决了船舶横摇问题，但该就位方式存在一定的局限性，具体表现在：

1) 对风向转变的应变性存在不足。施工现场东南风居多，浪向也以东南为主，存在风向转变、风力加大的情况。船舶在导管架东北方向就位，而施工区东北方向是开阔海域，东北风会造成巨大的波浪，使船舶处于横浪状态，横向波浪的强迫激励横摇对船舶影响最为明显和剧烈，在此作用下船舶横摇十分明显。东北向的风浪还会压迫船舶逼近导管架，引发碰撞风险。例如某日上午9时，现场突然由东南风转为6～7级东北风，此前平稳的“芝罘岛”船舶几分钟内横摇达6°～7°，进行中的灌浆施工被迫停止，主吊臂立即归位，船舶离导管架一度只有7 m，船长立刻召集人员绞船移位，避免造成船舶与导管架碰撞。因此，此横流迎风就位方式对维持东南风下船舶的稳定性效果明显，风向转变后对消除横摇影响的效果不佳，特别应避免横向风浪对船舶的冲击。横向风浪来临前，“芝罘岛”船舶必须离开导管架，以保证自身和导管架安全。

2) 横流就位对船舶安全提出重大挑战。“芝罘岛”船舶横流就位，现场流速较大。船舶底部为方形，船长为109 m，吃水为4.2 m，迎流面积较大，潮流对船舶的横向冲击力不可忽视。虽然船舶的锚泊性能较好，但存在涨潮流压迫船舶逼近导管架的风险。为防范此风险，甲板人员定时巡视，施工人员随时关注现场情况，谨防碰撞。横流就位方式也给现场交通船、驳船的靠泊带来一定困难。例如，在交通船靠泊时，潮流可能将交通船主动压迫至“芝罘岛”船舶舷侧，存在碰撞危险。此问题可通过交通船和驳船的船长加强操船或等到平流期再靠泊等方法解决。

3) 长波浪下可能发生参数激励横摇。现场波浪波长较短，一般为3～5 m，但警惕长波浪的影响。当波长与船长在同一数量级时，纵向波浪对横摇产生耦合影响，造成明显的参数激励横摇。若浪向与船长方向存在一定的角度，还会产生强迫激励横摇，在参数激励-强迫激励联合作用下，船舶横摇极大。在长波浪来袭时，“芝罘岛”船舶只能移船离开导管架，避免碰撞风险，尽量调整船位，使之迎浪，以减小横摇。

4) 应根据实际船况和风浪条件灵活调整就位。“芝罘岛”船舶迎风、迎浪、横流就位，减轻横摇影响，是根据自身船舶构造和现场特殊风、浪、流情况决定的。“芝罘岛”为工程船，水线面以下部分为方形，基本上无型线变化，垂荡小，对船舶吃水和水线面面积的影响小，考虑参数激励横摇时可忽略垂荡的影响。但是，对于一般船舶而言，由于船底型线变化，垂荡不能忽略，因此更加复杂。同时,由于大丰H3海上升压站施工现场流速快，流向与主浪向(风向)存在约40°偏角，特殊的海域条件使“芝罘岛”船舶选择迎风、迎浪、横流的就位方式。对于一般船舶而言，潮流对船舶的影响比风力大，应尽量选择顺流

就位。实际选取就位方式时，一定要综合考虑船舶结构和现场海域条件。

4 结束语

大丰H3海上升压站施工现场流速快，流向与风向、浪向不同，“芝罘岛”船舶按传统方式顺流就位横摇较大，致使无法起吊作业。通过对现场水文气象和船舶特点进行分析，找到了顺流就位横摇大的原因，果断改变就位方式，使船舶迎风、迎浪、横流就位，横摇明显减小，“芝罘岛”船舶顺利完成了导管架基础的后续施工。同时,对横流迎风就位方式存在的问题进行说明，找到了解决方法，为复杂海况条件下船舶就位方式的选取提供了新思路。