海底吊装
从甲板到海床，水对负载产生四种作用力：浮力、入水冲击力、阻力和附加质量力。本文说明各自如何影响吊索载荷、可能达到的量级、最终进近为何决定着底过程，以及水深对升沉补偿器的影响。
- 水中负载受到四种作用力。浮力改变其有效重量，入水时会产生冲击力，阻力随负载相对水流速度的平方增大，附加质量力则随其加速度增大。
- 在计算示例中，一块15 × 10 m的平板以1.57 m/s运动时，按恒定流系数计算的阻力约为216 kN（22 t），采用波浪区系数时约为474 kN（48 t），其取值依据 DNV-RP-N103。另一个10 × 10 × 20 m棱柱体在1.23 m/s²加速度下，附加质量力约为908 kN（93 t）。
- 按工况选型的升沉补偿器可降低起重机运动在负载相对水体的速度和加速度中所占的部分，从而减小这两种作用力，并在着底前保持钢丝绳张紧。
- 浸没状态和水深会改变补偿器的工作位置。浮力和水压使其向内收缩，可通过放气修正；下放过程中的冷却使其向外伸出，需要补气。RIGEL、CYGNUS和ANTARES的额定使用水深均为3,000 m，重新对中的方式不同：RIGEL在甲板上设定，CYGNUS可放气，ANTARES既可放气也可补气。
海底吊装从甲板开始，穿过浪溅区，沿水柱下放至海床。水的密度约为空气的800倍，并以四种方式对负载施力；主导作用从浪溅区到水柱再到着底阶段不断变化。
需要区分的四种作用力
| 作用力 | 取决于 | 主要作用阶段 | 影响 |
|---|---|---|---|
| 浮力 | 排水体积， \rho_w V g | 从入水开始；负载穿越水面时变化很快 | 降低有效重量并使其波动，可能导致钢丝绳松弛 |
| 入水冲击力 | 入水速度的平方 | 浪溅区 | 使负载和索具承受短时尖峰载荷 |
| 阻力 | 相对速度的平方， \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2} | 穿过波浪和海流下放时 | 阻碍运动；示例平板上的阻力为22至48 t |
| 附加质量 | 相对加速度， \rho_w C_A V_R\, \ddot z | 任何振荡过程；近海床处增大 | 每次振荡都会增加惯性作用；示例棱柱体上约为93 t |
浪溅区在短短几米的行程内叠加了入水冲击、快速变化的浮力及水质点速度； 浪溅区穿越 对此有详细说明，而 DNV-RP-N103 给出了计算方法。下文两个算例采用不同形状的物体，因此所得结果并非同一负载上的两种作用力，不能相加。
阻力
阻力随负载相对周围水体的速度平方增大，取决于相对水流速度，而非相对海床的速度。起重机、绞车运动和水质点自身速度都会影响这一相对速度 \dot z:
其中， C_D 为阻力系数， A_\perp 为迎流面积； DNV-RP-N103 按形状列出了两者的取值。表列系数适用于恒定流。对于波浪区的振荡流，该推荐做法采用的系数通常高出两到三倍；如无CFD或模型试验，对典型海底结构给出 C_D \ge 2.5 的要求。
计算示例：15 × 10 m平板
假设一块平板水平下放，波高4 m、周期8 s。将波浪视为振幅为 \zeta = H/2 = 2\ \text{m}. 的正弦波。作为初步筛选输入，其相对水体的峰值速度直接取自波浪运动：
对于与水流垂直的平板，系数为
且 A_\perp = 150\ \text{m}^2 ， \rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3:
以上使用恒定流系数。若采用 DNV-RP-N103规定的波浪区取值至少2.5，同一块平板承受的阻力约为474 kN（48 t），超过两倍。
按形状列出的恒定流阻力系数（DNV-RP-N103)
| 形状 | C_D | A_\perp |
|---|---|---|
| 球体 | 0.5 | \pi r^2 |
| 水平圆柱体 | 1.2 | 2 r L |
| 竖直圆柱体 | 1.1 ，当 L/2r = 0.5, 0.9 ，至 1 ，当 4, 1.0 ， 8 | \pi r^2 |
| 立方体，正面迎流 | 1.05 | a^2 |
| 圆锥体，锥尖迎流 | 约 0.5，取决于锥角 | \pi r^2 |
| 矩形平板，垂直迎流 | 1.1 + 0.02\,(L/W + W/L) | L W |
附加质量
负载在水中加速时，也必须带动周围部分水体加速。每当负载加速或减速，这部分水体就表现为额外质量，在静重之外增加惯性力：
其中， C_A 为附加质量系数， V_R 为参考体积，两者均由 DNV-RP-N103按形状列出。近海床处，受空间约束，附加质量增大，而此处正是负载着底的位置。
计算示例：10 × 10 × 20 m棱柱体
假设一根方形截面棱柱体沿长轴方向运动，波浪条件同样为波高4 m、周期8 s。其峰值加速度为
当 L/W = 2 时，系数为 C_A = 0.36，且 V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3，因此
按形状列出的附加质量系数（DNV-RP-N103)
| 形状 | C_A | V_R |
|---|---|---|
| 球体 | 0.5，任意方向 | \tfrac{4}{3}\pi r^3 |
| 圆柱体，垂直于轴线运动（如水平下放的管段或卷筒） | 0.62 ，当 L/2r = 1.2，对于长圆柱体升至 1.00 ， | \pi r^2 L |
| 矩形平板，垂直运动 | 0.58 ，当 L/W = 1，对于长平板升至 1.00 ， | \tfrac{\pi}{4} W^2 L |
| 圆盘，垂直运动 | 2/\pi | \tfrac{4\pi}{3} r^3 |
| 方形截面棱柱体，沿长度方向运动 | 0.68, 0.36, 0.19, 0.08 ，当 L/W = 1, 2, 4, 10 | W^2 L |
计算示例的假设
- 相对速度和加速度直接由给定波高与周期的正弦波求得，并非船舶响应模型的结果。实际吊装需通过耦合模型求得，包括船舶运动、吊臂端点响应、绞车指令、钢丝绳动力学、补偿器状态及水质点自身运动。
- 阻力和附加质量力的峰值并不同时出现：正弦运动中，速度峰值与加速度峰值相差四分之一个周期。组合峰值需从时域计算结果中获取。
- 所用系数适用于无限流体，未作自由液面或海床修正。
- 两个算例均未计入浮力和入水冲击力；在浪溅区，这两者通常起主导作用。
从甲板到海床的一次吊装
使用ANTARES时，一次吊装会用到它的四种模式：
- 甲板上：锁定模式。 锁定活塞杆后完成挂索并将负载吊离甲板，以控制所需的起升高度。
- 浪溅区模式。 负载越过舷侧并穿过波浪区，需核查入水冲击力和冲击载荷；此阶段设备刚度和阻尼较高，更适合穿越浪溅区。
- 下放：海底模式。 设备在水柱内采用较软的设置；阻力和附加质量力随局部相对运动变化。
- 着底模式。 阀门打开并解除EQ功能，使负载平稳落到海床。
RIGEL和CYGNUS各采用一种阻尼设置，在甲板上按吊装工况选定。无论使用哪种设备，被动系统仅能隔离周期明显短于其固有周期的波浪运动，在接近固有周期时反而会放大运动。随着钢丝绳放出，悬挂系统的刚度降低，固有周期增大，可能在某个水深进入波浪周期范围；吊装模型会沿下放过程核查 共振 风险。
如此量级的作用力，例如静重之外还有93 t的惯性力，是重型海底吊装通常要采用按工况选型的被动升沉补偿器的原因。它降低起重机运动在负载相对水体速度和加速度中所占的部分，从而减小阻力和附加质量力；水质点自身的运动仍然存在。钢丝绳能否在整个下放过程中保持张紧，需要针对具体工况由吊装模型核查。我们的三种设备额定使用水深均为3,000 m： CYGNUS 适用于最高10,000 t的重型吊装， RIGEL 适用于从55 t起的常规吊装，而 ANTARES 适用于浪溅区、水柱和着底阶段需要不同设置的吊装。
着底：最后进近
着底能量随进近速度的平方增大，峰值接触力则取决于土体和结构吸收了多少能量。若无补偿，进近速度除绞车下放速度外还叠加船舶升沉。硬着底或反弹可能损坏管汇、采油树及水下模板的精密表面和密封件，使泥垫屈曲或过度贯入，并使负载偏离预定位置，影响后续连接。
采用按海况选型的补偿器后，传递到负载的船舶升沉显著减少，其进近速度更接近绞车下放速度。我们以0.5 m/s的着底速度筛选着底工况，这是我们依据 DNV-RP-N103采用的验收限值。被动设备只能减少传至负载的船舶运动，无法将其完全消除，因此实际着底速度取决于海况，须逐项确认。
- 进近。 在正常升沉补偿下，将负载下放至海床上方几米处。
- 最终下放。 使用ANTARES时，切换至着底模式，并以受控速度放出钢丝绳。
- 着底。 以0.1–0.5 m/s接触海床，并吸收剩余升沉，避免负载反弹。
- 海床安放。 逐步释放钢丝绳张力；海床承受重量时，补偿器限制冲击载荷。
为实现平稳着底，ANTARES的着底模式会打开阀门并解除EQ功能。需要精确保持下放速度时，可由主动系统提供这种控制。平稳着底的运动机理见 被动升沉补偿.
水深对补偿器的影响
负载入水后，三种效应会使补偿器偏离工作位置：负载浮力、气体冷却和作用于活塞杆的水压。第四种因素是泄漏，通过设计加以防止。RIGEL、CYGNUS和ANTARES的额定使用水深均为3,000 m，重新对中的方式各不相同。CYGNUS和ANTARES使用平衡（EQ）功能：CYGNUS可放气，ANTARES还可补气。RIGEL没有EQ功能，其充气量在甲板上按吊装工况设定。
| 影响因素 | 对补偿器的影响 | 应对措施 |
|---|---|---|
| 浮力 | 负载在水中的净重减小，使设备平衡位置向内移动，最严重时完全收缩 | 放气以重新对中；对CYGNUS而言，应在气体冷却后进行。CYGNUS和ANTARES均可放气。 |
| 冷却 | 下放过程中气体冷却、压力下降，大部分变化在温跃层内迅速发生；损失的行程取决于气体容积、预充状态和下放过程 | 从设备所带气瓶补气。ANTARES可以补气；只能放气的CYGNUS则不能。 |
| 水压 | 活塞杆每下潜10 m约承受1 bar水压，被向内推入。在1,000 m水深、活塞杆直径180 mm的250 t吊装中，水对活塞杆产生约26 t的推力，相当于负载降至224 t。若设备气体容积约为全行程内排开油液容积的三倍，平衡位置将从行程中点移至约六分之一行程处 | 随着设备下潜放气。CYGNUS和ANTARES均可如此操作。 |
| 泄漏 | 水进入设备，导致性能下降和腐蚀 | 通过设计、试验和维护防范：两个密封面上设置双重密封；在FAT中进行外压试验；设置限制泄漏范围的隔舱；按计划更换密封件 |
水压算例：密度1,025 kg/m³的海水在1,000 m水深处产生约10 MPa的压力，对180 mm活塞杆产生约256 kN的推力。
这些效应会部分抵消。冷却主要发生在温跃层，而水压引起的偏移随水深持续增大。CYGNUS只能单向放气；若在气体冷却后才放气，并有足够行程在此之前容许偏离中心位置，便可用于深水吊装。ANTARES可从设备所带气瓶补气，因此能在下放的各个阶段重新对中。RIGEL依靠甲板上设定的充气量完成下放，因此需由吊装模型核查净位移是否保持在行程范围内。
常见问题
为什么海底吊装比空中吊装更困难？
水以四种方式对负载施力：浮力改变有效重量；入水冲击力发生在入水时；阻力随相对速度的平方增大；负载加速时，附加质量力使其表现出更大的惯性。主导作用从浪溅区到水柱再到着底阶段不断变化。
海底吊装中的阻力能有多大？
在算例中，一块15 × 10 m的平板以1.57 m/s的相对速度运动时，采用恒定流阻力系数计算的阻力约为216 kN，即22 t；采用波浪区取值时约为474 kN，即48 t，该取值依据 DNV-RP-N103，取值为2.5。阻力随速度的平方增大：相对速度减半，阻力降为四分之一。
什么是附加质量，其作用有多大？
负载加速时必须一同带动的周围水体所表现出的质量。算例中的10 × 10 × 20 m棱柱体在周期8 s的波浪中承受约908 kN，即93 t的附加惯性力；近海床处因空间约束，附加质量会增大。
哪种作用力主导浪溅区？
入水冲击力和快速变化的浮力，再叠加水质点速度。这些影响集中在短短几米的行程内，因此浪溅区比吊装其他阶段更常决定补偿器选型。
升沉补偿如何保护海底吊装？
按工况选型的补偿器可降低起重机运动在负载相对水体速度和加速度中所占的部分，从而减小阻力和附加质量力，并保持钢丝绳张紧，限制松绳后骤然受力产生的冲击。被动设备仅能隔离周期明显短于其固有周期的波浪运动，因此随钢丝绳放出，吊装模型需核查共振风险。我们的三种设备额定使用水深均为3,000 m：CYGNUS用于重型吊装，RIGEL用于常规吊装，ANTARES用于浪溅区、水柱和着底阶段需要不同设置的吊装。
哪种补偿器适合深水？
RIGEL、CYGNUS和ANTARES的额定使用水深均为3,000 m；区别在于水深变化时如何重新对中。浮力和水压使补偿器向内收缩，可通过放气修正；下放过程中的冷却使其向外伸出，需要补气。这些效应会部分抵消：冷却主要发生在温跃层，而水压引起的偏移随水深持续增大。RIGEL依靠甲板上设定的充气量完成下放，因此需由吊装模型核查净位移是否保持在行程范围内。CYGNUS可放气；若在气体冷却后才放气，便可用于深水吊装。ANTARES还可从设备所带气瓶补气，因此能在各阶段重新对中。
