不同吊重下大型回轉(zhuǎn)式起重船的系泊計(jì)算

孫華峰，董振強(qiáng)

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

起重船作為海洋工程中常用的工程船舶，廣泛應(yīng)用于海上吊裝、起重、鋪管等作業(yè)。起重船作業(yè)過(guò)程中受到風(fēng)浪流作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，船體的運(yùn)動(dòng)會(huì)激勵(lì)吊物產(chǎn)生晃動(dòng)。在起重作業(yè)過(guò)程中，吊重的晃動(dòng)直接影響著整個(gè)作業(yè)過(guò)程，限制了起重船的作業(yè)條件，也影響起重船的作業(yè)安全。目前隨著海洋開發(fā)從淺水走向深水，為了適應(yīng)海洋工程的發(fā)展，新型起重船的噸位一般較大，吊重方式多采用尾吊或側(cè)向吊；根據(jù)吊重重量、吊重方式的不同，吊距亦不同。方田等[1]對(duì)不同海況下船舶與吊重的耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)域運(yùn)動(dòng)模擬研究；汪娟娟[2]在船尾起吊下通過(guò)改變起吊要素，分析了其對(duì)吊重運(yùn)動(dòng)及船體運(yùn)動(dòng)的影響；董艷秋等[3]對(duì)起重吊物系統(tǒng)波浪中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析。

本文以某大型回轉(zhuǎn)式起重船在南海某作業(yè)點(diǎn)船尾起吊和側(cè)向起吊為例進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)浪流、吊重量、吊距等參數(shù)，對(duì)起重船起吊作業(yè)過(guò)程進(jìn)行不同吊重狀態(tài)下的系泊計(jì)算分析。

1 理論分析基礎(chǔ)

1.1 軟件介紹及坐標(biāo)系定義

本文采用的數(shù)值分析軟件為MOSES軟件，是海洋工程界施工分析所采用的最廣泛的數(shù)值模擬軟件。因其在海洋結(jié)構(gòu)物安裝、運(yùn)輸?shù)臅r(shí)域數(shù)值計(jì)算上具有計(jì)算速度快，使用方便的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)船體運(yùn)動(dòng)和系泊力的求解具備相當(dāng)高的可信度，該軟件在海洋工程項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

(1) 海上固定平臺(tái)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法(API-RP-2A: American Petroleum Institute recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-WSD (20th))。

(2) 浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析規(guī)范(API-RP-2SK: Recommended Practice for Design and Analysis of Station keeping Systems for Floating Structures)。

1.3 主要分析指標(biāo)

主要分析指標(biāo)為：系泊纜的強(qiáng)度受力；吊點(diǎn)處的縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖運(yùn)動(dòng)幅值。

2 系泊計(jì)算

2.1 船體技術(shù)參數(shù)

總長(zhǎng)239.2 m，型寬50.0 m，型深20.4 m，最大起吊能力75 000 kN×45 m，主鉤固定60 000 kN×45 m，主鉤全旋轉(zhuǎn)40 000 kN×45 m。

2.2 系纜繩主要參數(shù)

系纜繩采用鋼絲繩，破斷力3 850 kN，直徑76 mm，纜繩總長(zhǎng)2 200 m。

2.3 環(huán)境載荷

此起重船工作區(qū)域多為南海，以南海某工作點(diǎn)為例，其環(huán)境工況見表1。

2.4 模型建立

系泊運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，船舶吃水取為11.0 m，不考慮橫傾和縱傾，吊物高度取水上高度的一半。船體模型及系泊布置、吊重曲線見圖1～圖3。

圖1 計(jì)算模型

P1～P4、S1～S4—纜繩拉力。

圖3 吊重曲線圖

船體吊重工況見表2。

表2 吊重工況

2.5 計(jì)算結(jié)果

本文引入風(fēng)浪流海洋環(huán)境條件，分別對(duì)0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8個(gè)浪向角進(jìn)行時(shí)域模擬計(jì)算?？紤]風(fēng)浪流的作用方向相同為最惡劣載荷情況，采用準(zhǔn)靜力分析方法，可以得到系泊纜的最大受力、吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值。

2.5.1 幅頻響應(yīng)因子(RAO)

幅頻響應(yīng)因子(Response Amplitude Operator，RAO)可以用來(lái)計(jì)算船舶在海中工作時(shí)的行為，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性可以用船體幅頻響應(yīng)因子(RAO)進(jìn)行描述。縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖的幅頻響應(yīng)因子見圖4～圖7。

2.5.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

回轉(zhuǎn)吊重作業(yè)工況一在波高為1.0 m下系泊纜最大受力為1 130 kN，發(fā)生在90°浪向時(shí)；吊點(diǎn)橫搖運(yùn)動(dòng)幅值為0.27°，升沉運(yùn)動(dòng)幅值為0.58 m。波高1.0 m、回轉(zhuǎn)最大吊重40 000 kN系泊纜受力及吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3、表4。

圖4 縱蕩RAO

圖5 橫蕩RAO

圖6 升沉RAO

圖7 橫搖RAO

船尾吊重作業(yè)工況二在波高為1.0 m下系泊纜最大受力為1 182 kN，發(fā)生在90°浪向時(shí)；吊點(diǎn)橫搖運(yùn)動(dòng)幅值為0.40°，升沉運(yùn)動(dòng)幅值為0.92 m。波高1.0 m、船尾吊重40 000 kN系泊纜受力及吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5、表6。

表3 工況一 纜繩拉力統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：kN

表4 工況一 吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：m

表5 工況二 纜繩拉力統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：kN

表6 工況二 吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：m

工況三在波高為1.0 m下系泊纜最大受力為1 201 kN，發(fā)生在90°浪向時(shí)；吊點(diǎn)橫搖運(yùn)動(dòng)幅值為1.14°，升沉運(yùn)動(dòng)幅值為1.01 m。波高1.0 m、船尾吊重28 000 kN系泊纜受力及吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7、表8。

表7 工況三 纜繩拉力統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：kN

表8 工況三 吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：m

3 結(jié)論

(1)3種吊重工況下，系泊纜繩最大受力相差不大，均發(fā)生在風(fēng)浪流為90°、270°的作用下。

(2)吊重量相同時(shí)，艉部吊重與側(cè)向吊重相比，吊點(diǎn)處縱蕩的運(yùn)動(dòng)幅值變化不大，吊點(diǎn)處橫蕩、升沉、橫搖運(yùn)動(dòng)幅值明顯增大。

(3)船尾部起吊作業(yè)時(shí)，隨著吊重的增加、吊距的減小，吊點(diǎn)處的橫蕩、橫搖幅值明顯減小，縱蕩、升沉幅值變化不大。