不同吊重下大型回转式起重船的系泊计算

孙华峰，董振强

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

起重船作为海洋工程中常用的工程船舶，广泛应用于海上吊装、起重、铺管等作业。起重船作业过程中受到风浪流作用产生运动，船体的运动会激励吊物产生晃动。在起重作业过程中，吊重的晃动直接影响着整个作业过程，限制了起重船的作业条件，也影响起重船的作业安全。目前随着海洋开发从浅水走向深水，为了适应海洋工程的发展，新型起重船的吨位一般较大，吊重方式多采用尾吊或侧向吊；根据吊重重量、吊重方式的不同，吊距亦不同。方田等[1]对不同海况下船舶与吊重的耦合运动进行时域运动模拟研究；汪娟娟[2]在船尾起吊下通过改变起吊要素，分析了其对吊重运动及船体运动的影响；董艳秋等[3]对起重吊物系统波浪中的动力学响应进行了分析。

本文以某大型回转式起重船在南海某作业点船尾起吊和侧向起吊为例进行对比，通过调节风浪流、吊重量、吊距等参数，对起重船起吊作业过程进行不同吊重状态下的系泊计算分析。

1 理论分析基础

1.1 软件介绍及坐标系定义

本文采用的数值分析软件为MOSES软件，是海洋工程界施工分析所采用的最广泛的数值模拟软件。因其在海洋结构物安装、运输的时域数值计算上具有计算速度快，使用方便的优势，而且对船体运动和系泊力的求解具备相当高的可信度，该软件在海洋工程项目中得到广泛的应用。

1.2 规范标准

(1) 海上固定平台的规划、设计和建造的推荐作法(API-RP-2A: American Petroleum Institute recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-WSD (20th))。

(2) 浮式结构定位系统的设计与分析规范(API-RP-2SK: Recommended Practice for Design and Analysis of Station keeping Systems for Floating Structures)。

1.3 主要分析指标

主要分析指标为：系泊缆的强度受力；吊点处的纵荡、横荡、升沉、横摇运动幅值。

2 系泊计算

2.1 船体技术参数

总长239.2 m，型宽50.0 m，型深20.4 m，最大起吊能力75 000 kN×45 m，主钩固定60 000 kN×45 m，主钩全旋转40 000 kN×45 m。

2.2 系缆绳主要参数

系缆绳采用钢丝绳，破断力3 850 kN，直径76 mm，缆绳总长2 200 m。

2.3 环境载荷

此起重船工作区域多为南海，以南海某工作点为例，其环境工况见表1。

2.4 模型建立

系泊运动分析时，船舶吃水取为11.0 m，不考虑横倾和纵倾，吊物高度取水上高度的一半。船体模型及系泊布置、吊重曲线见图1～图3。

图1 计算模型

P1～P4、S1～S4—缆绳拉力。

图3 吊重曲线图

船体吊重工况见表2。

表2 吊重工况

2.5 计算结果

本文引入风浪流海洋环境条件，分别对0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8个浪向角进行时域模拟计算。考虑风浪流的作用方向相同为最恶劣载荷情况，采用准静力分析方法，可以得到系泊缆的最大受力、吊点运动及运动响应幅值。

2.5.1 幅频响应因子(RAO)

幅频响应因子(Response Amplitude Operator，RAO)可以用来计算船舶在海中工作时的行为，船体运动响应特性可以用船体幅频响应因子(RAO)进行描述。纵荡、横荡、升沉、横摇的幅频响应因子见图4～图7。

2.5.2 统计结果

回转吊重作业工况一在波高为1.0 m下系泊缆最大受力为1 130 kN，发生在90°浪向时；吊点横摇运动幅值为0.27°，升沉运动幅值为0.58 m。波高1.0 m、回转最大吊重40 000 kN系泊缆受力及吊点运动响应幅值统计结果见表3、表4。

图4 纵荡RAO

图5 横荡RAO

图6 升沉RAO

图7 横摇RAO

船尾吊重作业工况二在波高为1.0 m下系泊缆最大受力为1 182 kN，发生在90°浪向时；吊点横摇运动幅值为0.40°，升沉运动幅值为0.92 m。波高1.0 m、船尾吊重40 000 kN系泊缆受力及吊点运动响应幅值统计结果见表5、表6。

表3 工况一 缆绳拉力统计结果 单位：kN

表4 工况一 吊点运动统计结果 单位：m

表5 工况二 缆绳拉力统计结果 单位：kN

表6 工况二 吊点运动统计结果 单位：m

工况三在波高为1.0 m下系泊缆最大受力为1 201 kN，发生在90°浪向时；吊点横摇运动幅值为1.14°，升沉运动幅值为1.01 m。波高1.0 m、船尾吊重28 000 kN系泊缆受力及吊点运动响应幅值统计结果见表7、表8。

表7 工况三 缆绳拉力统计结果 单位：kN

表8 工况三 吊点运动统计结果 单位：m

3 结论

(1)3种吊重工况下，系泊缆绳最大受力相差不大，均发生在风浪流为90°、270°的作用下。

(2)吊重量相同时，艉部吊重与侧向吊重相比，吊点处纵荡的运动幅值变化不大，吊点处横荡、升沉、横摇运动幅值明显增大。

(3)船尾部起吊作业时，随着吊重的增加、吊距的减小，吊点处的横荡、横摇幅值明显减小，纵荡、升沉幅值变化不大。