半潜式起重船波浪载荷预报

吴 迪， 吴翠江， 许 莲

(中集来福士海洋工程有限公司 研发部，山东 烟台 264670)

0 引 言

近年来，大型起重船在海洋油气开发、大型海上工程建设、风电设施安装和海难救助等领域得到了广泛应用。大型回转起重船通常分为单体式起重船(Mono Hull Crane Vessel，MHCV)和半潜式起重船(Semi-Submersible Crane Vessel，SSCV)2种。2016年，上海振华重工(集团)股份有限公司自主建造的MHCV“振华30”号交付使用，单臂架固定吊重能力为12 000 t，360°全回转吊重能力为7 000 t，曾参与“世越”号沉船打捞和珠港澳大桥施工等重大工程。2019年，荷兰油气工程承包商HMC(Heerema Marine Contractors)的SSCV“Sleipnir”号完成了15 300 t模块的吊装任务，创下了起重船吊装量的世界纪录。瑞士Allseas集团的双体起重船“Pioneering Spirit”号是目前全球最大的海工船，长382 m，宽124 m，排水量约为90万t，最大举升能力约为48 000 t，主要用于拆卸和装配海上平台，同时具有铺管能力。

SSCV具有宽度大、型深小、压载舱多、稳性和操作性好等特点，其主尺度特征和设备布置操作模式与常规货物运输船有很大区别。正确合理地计算波浪载荷对于此类型船舶的结构强度评估和安全操作而言具有重要意义。对于主尺度满足一定条件的处于航行状态的无限航区常规船舶，国际船级社协会(International Association of Classification Societies，IACS)给出了其波浪载荷沿船长方向的弯矩和剪力的计算公式[1]。对于限定海况下处于起重作业状态的起重船，当前没有直接能用来计算其波浪载荷的经验公式。对于主尺度不满足条件的非常规船舶，其波浪载荷主要通过模型试验和直接计算2种方式计算，其中：模型试验的结果较为可靠，但过程复杂，周期长，费用高；直接计算主要基于水动力分析理论，采用分析软件完成，是船舶工程中常用的方法。国内比较常用的船舶波浪载荷预报软件有挪威船级社(Det Norske Veritas，DNV)开发的Sesam/HydroD、法国船级社(Bureau Veritas，BV)开发的HydroStar、美国船级社(American Bureau of Shipping，ABS)开发的Seakeeping和哈尔滨工程大学开发的WALCS(Wave Loads Calculation System)等。本文采用数值分析软件Sesam/HydroD对某SSCV在航行状态和起重作业状态下的波浪载荷进行直接计算分析。

1 船舶概况

以某SSCV为研究对象，其布置类似于半潜船，采用三岛式船型，艏部设置艏楼和生活楼，艉部设置艉浮箱，全回转重吊最大起重能力为5 000 t，对应的最大回转半径为36 m。为方便进行风电安装作业和减少重吊占用的甲板装货面积，将重吊布置在左舷靠近艉部的位置，在下潜时其基座可兼做浮箱。该船设置有很多压载舱，既能保证船舶有足够的下潜能力，又能控制其在重吊作业时的浮态。该船的主尺度和总布置图分别见表1和图1。关于型深的选择：对于起重功能而言，型深越大对稳性和结构强度越有利；对于半潜功能而言，型深越小对满足半潜深度要求和装载大件货物越有利。因此，该类型船的型深应在综合考虑多种因素之后再确定。

表1 目标船主尺度

a)侧视图

该起重船主要有航行、重吊作业和半潜作业等3种操作模式，各操作模式对应的设计海况见表2。

表2 目标船各操作模式对应的设计海况

2 波浪载荷预报

SSCV在重吊作业模式下对稳性的要求较高，因此该类型船对船宽的要求比常规的半潜船高。本文所述SSCV的主尺度比L/B=4.1，B/D=3.5，远超过船级社规范中的波浪载荷经验公式适用的尺度比范围(L/B>5，B/D<2.5)，无论是航行模式下的波浪载荷，还是重吊作业模式下的波浪载荷，都采用预报的方法计算[2]。本文采用DNV的数值分析软件Sesam/HydroD，选取装载手册中典型的航行装载工况和重吊作业工况对船舶的波浪载荷进行预报。

2.1 计算工况和参数

1)对于航行模式，选取LC02压载和LC07满载2种典型装载工况。船舶可无限航区航行，采用北大西洋波浪散布图对航行水域的波浪进行长期预报[3]，波浪谱选用P-M谱。超越概率取为10-8，该数值大致对应于20 a一遇波浪的设计值。对船舶进行结构疲劳评估，在计算船体疲劳载荷(垂向弯矩和水平弯矩)时，超越概率取为10-2。对于半潜作业工况，根据船级社规范(Pt5, Ch10, Sec5, 2.1.2)的要求，波浪载荷取为航行工况下的50%。

2)对于重吊作业模式，选取吊重5 000 t，侧吊90°工况(LC11)和艉吊0°工况(LC12)2种典型工况，采用短期预报的方式对波浪载荷进行预报，波浪谱采用JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)谱[4-5]，该谱是P-M谱的修正，Hs=3 m, 2 s ≤Tp≤8 s，适用于限定海况(见表3)。

表3 JONSWAP谱(重吊作业状态)

在典型的航行工况(压载和满载)和重吊作业工况(吊重5 000 t，侧吊90°，艉吊0°，该角度为侧吊或尾吊与船舶中心线向船尾的夹角)下进行波浪载荷预报时的主要参数定义情况见表4。

表4 计算工况和参数

2.2 计算模型

采用Sesam的GeniE模块建立全船湿表面模型并进行网格划分，输出有限元模型文件供后续水动力分析使用。计算输出剖面由船尾至船首共20个，间隔均为11.2 m(见图2)。选取一定数量的质量点，用于模拟全船质量的分布情况(见图3)。每种工况下质量点的重量和重心都应与装载手册中的重量和重心保持一致。排水量与实船的误差不大于0.1%，浮心位置与实船的误差不大于0.1%L，能在水动力意义上准确描述实船的形状。

图2 船体湿表面模型和计算剖面

a)工况LC02

2.3 波浪载荷计算结果

按规范的要求对根据线性波浪理论得到的波浪载荷进行非线性修正，最终得到的波浪载荷预报结果见图4。从图4中可看出，垂向波浪弯矩最大值的分布位置与船舶的质量分布有关。对于工况LC02和工况LC07而言，船舶的重心位于船中，因此弯矩的最大值出现在舯部。对于工况LC11和工况LC12而言，船舶的重心偏向船尾，因此弯矩的最大值偏向船尾。重吊作业工况下的波浪弯矩预报峰值约为航行工况下的波浪弯矩预报峰值的15%。对于航行状态下工况LC02和工况LC07对应的波浪垂向弯矩，用于进行结构疲劳计算的预报结果(超越概率为10-2)约为用于进行结构强度计算的预报结果(超越概率为10-8)的20%。

a)LC02垂向波浪弯矩预报值(超越概率为10-8)

将航行工况下预报得到的波浪弯矩和剪力的峰值与DNV规范值(具体见文献[2]中的Part 3, Chapter 4, Section 4, 3)相比较，结果见表5。从表5中可看出，工况LC07下的波浪弯矩和剪力的预报值比工况LC02下的波浪弯矩和剪力的预报值大，这2种工况下的波浪载荷预报结果都比规范值大，最大弯矩约为规范值的1.4倍，最大剪力约为规范值的2.0倍，这与文献[6]中的预报结果比较接近，进一步验证了对于此类超尺度比的SSCV的波浪载荷，采用规范所给的经验公式计算无法满足设计要求，必须采用直接计算的方法计算。

表5 航行工况波浪载荷预报结果与规范值对比

2.4 船舶运动响应

通过波浪载荷预报，可计算得到船舶在各种工况下的运动响应，为船体结构评估和其他相关的设计工作提供参考。由于船级社规范没有给出用于计算重吊作业工况下任意位置的船舶运动加速度和动压力的经验公式，可通过直接计算得到相关参数，为重吊作业工况下的结构强度评估提供参考。表6为工况LC11下船舶重心处加速度和船中水线面处动压力计算结果。

表6 工况LC11下船舶重心处加速度和船中水线面处动压力计算结果

通过直接计算波浪载荷可得到各工况下船舶的运动幅值响应算子(Response Amplitude Operators，RAOs)，为船舶耐波性运动预报提供参考。受篇幅限制，仅给出工况LC02下超越概率为10-8时的计算结果(见图5)。

a)纵荡RAOs

3 结 语

本文采用DNV的软件Sesam/HydroD对某SSCV在航行状态和重吊作业状态下的波浪载荷及运动响应进行了预报。对于该船而言，预报得到的航行状态下的最大弯矩约为规范值的1.4倍，最大剪力约为规范值的2.0倍。重吊作业状态下的波浪弯矩预报最大值约为航行状态下的波浪弯矩预报最大值的15%。对于航行状态下工况LC02和工况LC07对应的波浪垂向弯矩，用于进行结构疲劳计算的预报结果(超越概率为10-2)约为用于进行结构强度计算的预报结果(超越概率为10-8)的20%。对于SSCV这类远超船级社规范给出的尺度比适用条件的船型，采用波浪预报的方式得到的航行状态和起重作业状态下的波浪载荷更准确。预报得到的波浪载荷结果和船舶运动响应结果可应用于船体结构强度和疲劳分析中，供船舶设计参考。

目前该船还处于设计阶段，提到的波浪载荷计算方法和计算结果已得到DNV的认可，对同类型船的设计有很好的参考价值。