CN115456232A - 一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法 - Google Patents

一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法 Download PDF

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CN115456232A CN202210678784.8A CN202210678784A CN115456232A CN 115456232 A CN115456232 A CN 115456232A CN 202210678784 A CN202210678784 A CN 202210678784A CN 115456232 A CN115456232 A CN 115456232A
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Abstract

本发明公开了一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，该方法将起重船安装单桩基础的施工工艺流程中不同施工工序的耐波性衡准进行汇总，选取不同施工工序中最保守的耐波性衡准作为起重船在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件，并结合气象预报的逐3小时海浪数据，预测出未来一段时间内起重船在各海域的海上风电单桩基础施工的理论可作业窗口比例，从而正确评估起重船在各海域海上风电单桩基础施工的难度，并最终指导海上风电施工项目的船舶调遣决策，减少了工程船舶的等待时间，提高了起重船海上风电单桩基础施工的效率。

Description

一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法
技术领域
本发明涉及工程船舶可作业窗口比例预测技术领域，尤其涉及一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法。
背景技术
根据目前海上风电场规划，未来海上风电场多集中于30m至50m 水深范围，在这一水深范围内，单桩基础仍是风电基础的主要型式之一。但随着水深的增加，单桩基础和风机结构将进一步增大，与此同时，该海域的环境条件也较近海海域更为恶劣，这都给基于起重船的单桩基础施工带来更大挑战。
以往的起重船单桩基础的施工作业窗口比例主要凭经验判断。然而，随着海上风电场的平均水深逐步增大，离岸距离逐渐变远，依靠经验判断起重船单桩基础施工的窗口比例变得异常困难。在已经开展的多个开敞外海中等水深海域的海上风电场施工中，发现实际作业窗口比例远远低于凭经验预估的施工窗口比例，导致工期延误，造成较大的经济损失。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，该方法结合气象预报的逐3小时海浪数据，能够预测出未来一段时间内起重船在各类海域的海上风电单桩基础施工的理论可作业窗口比例，从而正确评估起重船在各类海域海上风电单桩基础施工的难度，并最终指导海上风电施工项目的船舶调遣决策。
一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，具体包括以下步骤：
S1，根据起重船安装单桩基础的不同施工工序的耐波性衡准确定其在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件；
S2，收集起重船在施工作业海域的逐3小时波浪数据，得到波浪密度谱Sw(ω)，并求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)、起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)和辐射阻尼B(ω)；
S3，根据逐3小时波浪密度谱SW(ω)和单位波幅的波浪力幅值 Fw(ω)得到波浪力响应谱Sξ(ω)，对波浪力响应谱Sξ(ω)进行频域分割计算得到波浪力Fw(t)；
S4，利用波浪力Fw(t)、起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)和辐射阻尼B(ω)求得起重船的纵摇运动响应函数，从而得到起重船的纵摇运动响应最大值；
S5，重复步骤S3-S4，计算得到某3小时波浪条件下多组随机波浪种子下的纵摇运动响应最大值的平均值并判断该平均值是否满足作业衡准条件，若满足，则说明在该3小时波浪条件下起重船可作业；
S6，将未来一段时间内起重船可作业的3小时的数量与该时间段内总的3小时数量的比值作为其在该段时间内的可作业窗口比例。
优选地，所述逐3小时波浪密度谱Sw(ω)为由施工作业海域所在地的气象局或海洋局提供的逐3小时波浪预报数据，包括风浪、主涌浪和次涌浪的周期和波高。
优选地，步骤S2中根据收集的逐3小时波浪数据得到波浪密度谱Sw(ω)，并利用切片理论求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)。
优选地，步骤S2中利用水动力分析软件计算得到起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)、辐射阻尼B(ω)。
优选地，步骤S3中波浪力响应谱Sξ(ω)的表达公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000031
优选地，步骤S3中对波浪力响应谱Sξ(ω)进行频域分割从而计算得到波浪力Fw(t)的具体步骤为：
将波浪力响应谱Sξ(ω)在频域上分割为对应波浪频域范围为Δω的N等分；
分别计算不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi；
根据不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi计算得到波浪力Fw(t)。
优选地，波幅ξi的计算公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000032
波浪力Fw(t)的计算公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000033
其中，ωi为第i个波浪频率，Sξ(ωi)为在频域上被分割为N等分的波浪力响应谱中第i个波浪频率所对应的波浪力响应值，εi为采用MATLAB生成的服从(0,2π]均匀分布的数组(共N个元素)中的第i个元素。
优选地，步骤S4中起重船的纵摇运动响应函数为：
Figure RE-GDA0003895940300000034
Figure RE-GDA0003895940300000041
Figure RE-GDA0003895940300000042
其中，M为船舶质量，K(τ)为对辐射阻尼B(ω)进行Fourier变换得到的时延函数，C为静水回复力，ρ为海水密度，g为重力加速度，Aω为水线面面积，d1为水线面绕oz轴的惯性半径(船舶中横剖面与中纵剖面在基线处的交点为o点，o点沿吃水方向向上为 oz轴正向)，zB为浮心的垂向坐标，
Figure RE-GDA0003895940300000043
为船舶的排水体积。
优选地，所述起重船安装单桩基础的施工工序包括起重船就位、稳桩平台搭设、运桩驳靠泊、单桩翻身、入龙口、液压锤沉桩、稳桩平台拆除阶段。
优选地，起重船在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件为吊装过程中纵摇角度不超过0.6°。
本发明的有益效果是：
1、本发明的方法结合气象预报的逐3小时海浪数据，能够预测出未来一段时间内起重船在各类海域的海上风电单桩基础施工的理论可作业窗口比例，从而正确评估起重船在各类海域海上风电单桩基础施工的难度，并最终指导海上风电施工项目的船舶调遣决策。
2、本发明将起重船安装单桩基础的施工工艺流程按照船舶姿态、迎流方向、施工动作、定位方式以及与其他船舶的配合等情景为原则分解为多个施工工序，再将不同施工工序的耐波性衡准进行汇总，选取不同施工工序中最保守的耐波性衡准作为起重船在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件，从而准确判断出起重船在3小时海浪条件下的可作业性，有效地提高了未来一段时间内起重船可作业窗口比例的预测准确率，从而减少了工程船舶的等待时间，提高了起重船海上风电单桩基础施工的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是起重船单桩基础施工可作业窗口比例预测方法的流程图。
图2是起重船的结构示意图。
图3是收集的逐3小时波浪数据与波浪频率之间的函数关系图。
图4是单位波幅的波浪力幅值与波浪频率之间的函数关系图。
图5是波浪力响应谱与波浪频率之间的函数关系图。
图6是将波浪力响应谱在频域上进行分割的示意图。
图7是对辐射阻尼B(ω)进行Fourier变换得到的时延函数的示意图。
图8是对船舶运动响应函数求解得到的纵摇运动响应结果的示意图。
图9是计算得到起重船在不同月份可作业窗口比例的示意图。
图中标号的含义为：
1为起重船，2为吊钩，3为吊臂。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本发明给出一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，具体包括以下步骤：
S1，根据起重船安装单桩基础的不同施工工序的耐波性衡准确定其在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件。
通过对起重船安装单桩基础的施工工艺流程进行梳理，以船舶姿态、迎流方向、施工动作、定位方式以及与其他船舶的配合等情景为原则将整个流程分解为若干施工工序，包括起重船就位、稳桩平台搭设、运桩驳靠泊、单桩翻身、入龙口、液压锤沉桩、稳桩平台拆除阶段。
起重船安装单桩基础的不同施工工序所对应的耐波性衡准不同，本申请将不同施工工序中最保守的耐波性衡准作为起重船在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件。
由于大型起重船具备全回转起重能力，因此主要会采用起重船与运输驳船双船并靠，起重船吊机旋转90度至舷侧取桩或导管架，挂钩起吊的施工流程。因此，起重船安装单桩基础的不同施工工序均需满足两条耐波性指标衡准：
(1)挂钩时，钩头晃动幅值不超过1m；
(2)起重船在整个吊装过程中横摇角度不能超过2.5°(主要考虑吊机本身的强度问题，挂钩完毕之后，船舶在横摇角不大于 2.5°的情况下可作业)。
以某起重船为例，该起重船的施工吊高为100m，若挂钩时钩头晃动幅度不超过1米，则起重船的纵摇角度不超过0.6°，相比横摇角度不超过2.5°，纵摇角度不超过0.6°更难满足，因此本实施例中该起重船在施工作业时的作业衡准条件为吊装过程中纵摇角度不超过0.6°。
S2，收集起重船在施工作业海域的逐3小时波浪数据，求得波浪密度谱Sw(ω)，并求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)、起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)和辐射阻尼B(ω)。
由于海浪条件一般具有3小时稳定性，因此海浪条件一般以逐 3小时波浪要素(包括波高、波周期)形式给出。
上述逐3小时波浪密度谱Sw(ω)为由施工作业海域所在地的气象局或海洋局提供的逐3小时波浪预报数据所形成的函数，包含风浪、主涌浪和次涌浪三种波浪组成成分，每种波浪均包含波周期和波高这两种波浪要素，并以波浪密度谱的形式给出。
由于起重船作业海况条件较为和缓，因此，本申请的波浪密度谱的谱形选用P-M谱谱形，给出每种波浪的波周期和波高即可得到波浪谱的数学表达式。
因此，逐3小时波浪密度谱Sw(ω)(也可称为三峰谱混合浪谱密度函数)的表达公式为：
SW(ω)＝Sw1(ω)+Sw2(ω)+Sw3(ω) (1)
上式中，SW1(ω)为风浪谱谱密度函数，SW2(ω)为主涌浪密度谱函数，SW3(ω)为次涌浪密度谱函数。
根据逐3小时波浪密度谱Sw(ω)，利用切片理论求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)。
利用水动力分析软件计算得到起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)、辐射阻尼B(ω)。
水动力分析软件为基于绕辐射原理的海洋工程水动力分析软件，如AQWA或WAMIT(Wave Analysis MIT计算零航速浮式结构物与波浪相互作用的分析软件)等。
S3，根据逐3小时波浪密度谱SW(ω)和单位波幅的波浪力幅值 Fw(ω)得到波浪力响应谱Sξ(ω)，波浪力响应谱Sξ(ω)的表达公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000081
然后，对波浪力响应谱Sξ(ω)进行频域分割计算得到波浪力Fw(t)，具体地，首先，将波浪力响应谱Sξ(ω)在频域上分割为对应波浪频域范围为Δω的N等分；
然后，分别计算不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi，波幅ξi的计算公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000082
其中，ωi为第i个波浪频率，Sξ(ωi)为在频域上被分割为N等分的波浪力响应谱中第i个波浪频率所对应的波浪力响应值，i∈(1， N)，N为正整数。
然后，根据不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi计算得到波浪力 Fw(t)，波浪力Fw(t)的计算公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000083
其中，εi为采用MATLAB生成的服从(0,2π]均匀分布的数组(共 N个元素)中的第i个元素，εi也被称为随机种子。
S4，利用波浪力Fw(t)、起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)和辐射阻尼B(ω)求得起重船的纵摇运动响应函数，从而得到起重船的纵摇运动响应最大值。
起重船的纵摇运动响应函数为：
Figure RE-GDA0003895940300000091
其中，M为船舶质量，K(τ)为对辐射阻尼B(ω)进行Fourier变换得到的时延函数，C为静水回复力；
时延函数K(τ)的表达公式为：
Figure RE-GDA0003895940300000092
船舶的静水回复力C的表达公式为：
C＝ρg(Aωd1 2+zB▽) (7)
其中，ρ为海水密度，g为重力加速度，Aω为水线面面积，d1为水线面绕oz轴的惯性半径(船舶中横剖面与中纵剖面在基线处的交点为o点，o点沿吃水方向向上为oz轴正向)，zB为浮心的垂向坐标，
Figure RE-GDA0003895940300000093
为船舶的排水体积。
式(5)是随时间t变化的函数，对式(5)进行求解，取绝对值，记为|x|，找出|x|的最大值，记为x1，将x1作为起重船的纵摇运动响应最大值。
S5，重复步骤S3-S4，计算得到某个3小时波浪条件下多组随机波浪种子下的纵摇运动响应最大值的平均值并判断该平均值是否满足作业衡准条件，若满足，则说明该3小时波浪条件下起重船可作业。
假设重复步骤S3-S4，分别可以得到某个3小时波浪条件下4 组随机波浪种子下的4个纵摇运动响应最大值x2，x3，x4和x5，求取该3小时波浪条件下所有的纵摇运动响应最大值x1，x2，x3，x4和 x5的平均值
Figure RE-GDA0003895940300000101
即可得到起重船在该3小时波浪条件下运动响应的极值，
Figure RE-GDA0003895940300000102
判断平均值
Figure RE-GDA0003895940300000103
是否满足作业衡准条件，若
Figure RE-GDA0003895940300000104
不超过可作业衡准条件，则起重船可作业；若
Figure RE-GDA0003895940300000105
超过可作业衡准条件，则起重船不可作业。
S6，按照上述步骤，可预测出其余3小时波浪条件下起重船的可作业情况，然后，将未来一段时间内起重船可作业的3小时的数量与该段时间内总的3小时数量的比值作为其在该段时间内的可作业窗口比例。
Figure RE-GDA0003895940300000106
下面以某起重船在作业海域进行单桩基础施工为例，具体说明本发明的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法。
某起重船需要满足施工海域的单桩基础施工作业，在施工海域具备良好的耐波性和适应性。
假设起重船单桩基础施工海域为XX海域，收集得到该海域XX 年的3小时波浪数据(共2920组3小时海况数据)，如下表表1 所示：
表1波浪数据表
Figure RE-GDA0003895940300000107
Figure RE-GDA0003895940300000111
以表1中第1个3小时波浪数据的海浪条件为例，利用公式(1) 计算得到逐3小时波浪密度谱Sw(ω)，如图3所示。
根据逐3小时波浪密度谱Sw(ω)，利用切片理论求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)，如图4所示。
利用水动力分析软件计算得到起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)为36010590208kg.m2/rad、辐射阻尼B(ω)为 3979816698.9N.m/(rad/s)。
利用公式(2)计算得到波浪力响应谱Sξ(ω)，如图5所示。将波浪力响应谱Sξ(ω)在频域上分割为20个对应波浪频率范围为Δω＝0.05rad/s的等份，如图6所示，利用公式(3)计算得到不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi，i＝1,…,20。
Figure RE-GDA0003895940300000121
…
Figure RE-GDA0003895940300000122
…
Figure RE-GDA0003895940300000123
采用MATLAB生成一组服从(0,2π]均匀分布的数组，数组中共有20个元素，εi为数组中的第i个元素，如表2所示：
表2εi数组
ε<sub>1</sub> … ε<sub>10</sub> … ε<sub>20</sub>
0.1 … 0.5 … 2.1
利用公式(4)计算得到波浪力Fw(t)，
Figure RE-GDA0003895940300000124
采用公式(6)对辐射阻尼B(ω)进行Fourier变换，求得时延函数K(τ)，如图7所示。
并采用公式(7)计算船舶的静水回复力，船舶的静水回复力C 为8.6x109 N。
将船舶质量M、水动力附加质量m(∞)、时延函数K(τ)、静水回复力C代入公式(5)，对公式(5)进行求解，得到船舶的纵摇运动响应x，如图8所示，求得x的绝对值|x|后，找出|x|的最大值，记为x1，x1作为起重船的纵摇运动响应最大值，x1为0.91°。
重复上述步骤，得到第1个3小时波浪条件下4组不同随机波浪种子下的纵摇运动响应最大值，即采用MATLAB再重新生成服从 (0,2π]均匀分布的4个数组，得到四组不同的εi，根据公式(2)-(7)，可计算得到4个运动响应时序序列的极值x2–x5，如表3所示：
表3运动响应极值计算结果
x<sub>2</sub> x<sub>3</sub> x<sub>4</sub> x<sub>5</sub>
0.89° 0.89° 0.92° 0.91°
将前后5组随机种子对应的运动响应的极值x1–x5取平均值，为0.90°，将该值作为第1个3小时波浪条件下的运动响应的极值。
根据起重船的作业衡准条件，起重船在第1个3小时波浪数据条件下的运动响应极值(0.90°)超过其耐波性衡准(纵摇0.6°)，因此在第1个3小时波浪数据条件下该起重船不能作业。
重复上述步骤，计算得到其余3小时波浪数据条件下起重船的可作业情况，并逐月进行统计，用每个月可作业的3小时数比上每个月总的3小时个数，得到该年每个月的可作业窗口比例表，如下表表4所示：
表4可作业窗口比例计算表
月份 可作业3小时数 总的3小时数 可作业窗口比例
1月 64 248 25.8％
2月 60 224 26.8％
3月 87 248 35.1％
4月 103 240 43.0％
5月 106 248 42.7％
6月 124 240 51.7％
… … … …
根据上述可作业窗口比例计算表，可正确评估起重船在海上风电单桩基础施工的难度，并最终指导海上风电施工项目的船舶调遣决策。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，根据起重船安装单桩基础的不同施工工序的耐波性衡准确定其在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件；
S2，收集起重船在施工作业海域的逐3小时波浪密度谱Sw(ω)，并求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)、起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)和辐射阻尼B(ω)；
S3，根据逐3小时波浪密度谱SW(ω)和单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)得到波浪力响应谱Sξ(ω)，对波浪力响应谱Sξ(ω)进行频域分割计算得到波浪力Fw(t)；
S4，利用波浪力Fw(t)、起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)和辐射阻尼B(ω)求得起重船的纵摇运动响应函数，从而得到起重船的纵摇运动响应最大值；
S5，重复步骤S3-S4，计算得到某3小时波浪条件下多组随机波浪种子的纵摇运动响应最大值的平均值并判断该平均值是否满足作业衡准条件，若满足，则说明在该3小时波浪条件下起重船可作业；
S6，将未来一段时间内起重船可作业的3小时的数量与该时间段内总的3小时数量的比值作为其在该段时间内的可作业窗口比例。
2.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，所述逐3小时波浪密度谱Sw(ω)为由施工作业海域所在地的气象局或海洋局提供的逐3小时波浪预报数据，包括风浪、主涌浪和次涌浪的周期和波高。
3.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，步骤S2中根据收集的逐3小时波浪密度谱Sw(ω)，利用切片理论求得单位波幅的波浪力幅值Fw(ω)。
4.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，步骤S2中利用水动力分析软件计算得到起重船在频率趋于无穷大时的水动力附加质量m(∞)、辐射阻尼B(ω)。
5.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，步骤S3中波浪力响应谱Sξ(ω)的表达公式为：
Figure FDA0003697494390000023
6.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，步骤S3中对波浪力响应谱Sξ(ω)进行频域分割从而计算得到波浪力Fw(t)的具体步骤为：
将波浪力响应谱Sξ(ω)在频域上分割为对应波浪频域范围为Δω的N等分；
分别计算不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi；
根据不同波浪频率ωi所对应的波幅ξi计算得到波浪力Fw(t)。
7.根据权利要求6所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，波幅ξi的计算公式为：
Figure FDA0003697494390000021
波浪力Fw(t)的计算公式为：
Figure FDA0003697494390000022
其中，ωi为第i个波浪频率，Sξ(ωi)为在频域上被分割为N等分的波浪力响应谱中第i个波浪频率所对应的波浪力响应值，εi为采用MATLAB生成的服从(0,2π]均匀分布的数组中的第i个元素。
8.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，步骤S4中起重船的纵摇运动响应函数为：
Figure FDA0003697494390000031
Figure FDA0003697494390000032
Figure FDA0003697494390000033
其中，M为船舶质量，K(τ)为对辐射阻尼B(ω)进行Fourier变换得到的时延函数，C为静水回复力，ρ为海水密度，g为重力加速度，Aω为船舶水线面面积，d1为水线面绕oz轴的惯性半径，zB为浮心的垂向坐标，
Figure FDA0003697494390000034
为船舶的排水体积。
9.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，所述起重船安装单桩基础的施工工序包括起重船就位、稳桩平台搭设、运桩驳靠泊、单桩翻身、入龙口、液压锤沉桩、稳桩平台拆除阶段。
10.根据权利要求1所述的起重船海上风电单桩基础施工可作业窗口比例预测方法，其特征在于，起重船在海上单桩基础施工作业中的作业衡准条件为吊装过程中纵摇角度不超过0.6°。
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