平臺導管架波浪拍擊計算參數分析

彭紹源, 鄧 欣, 尹彥坤, 黃蓮英, 鄧秀銘

(中海油能源發展油建分公司工程設計研發中心,湛江 524057)

平臺導管架波浪拍擊計算參數分析

彭紹源, 鄧 欣, 尹彥坤, 黃蓮英, 鄧秀銘

(中海油能源發展油建分公司工程設計研發中心,湛江 524057)

波浪拍擊會對平臺導管架飛濺區的水平桿件產生近乎垂直的作用力,通過分析這種作用力對結構的影響,并結合工程實例,為工程設計人員更合理地選擇設計參數提供參考。

波浪拍擊;垂直作用力;設計參數;設計荷載

Abstract:The horizontal circular members in splash zone of an offshore platform jacket may bear vertical loads by wave slamming.This paper presents a method to designers how to select design parameters more felicitously by analyzing the effect on structures and combining the project example.

Key words:wave slamming;vertical loads;design parameters;design loads

0 前言

位于飛濺區的海洋平臺導管架的水平桿件會承受波浪拍擊力的作用,這些近乎垂直的作用力是由于波浪穿過導管架時,局部水面上升和下降拍擊桿件下部所引起的。由于這些力近乎垂直,它們對平臺的總體基底剪力和傾覆力矩的作用非常小,但對局部桿件的作用卻很大,往往會引起桿件的破壞,所以設計中要特別關注。

波浪拍擊力的大小是由作用于桿件上的液體的運動速度變化所引起的,因此它是桿件和自由液面的相對速度的函數。相對拍擊速度取決于結構的運動、波高、波浪周期、波浪方向和桿件位置等。

波浪拍擊應力計算完畢后,把其與在位計算應力進行組合,以對桿件進行強度校核。

1 波浪拍擊的計算公式

管狀桿件單位長度的拍擊荷載用下列公式計算:

式中:D為桿件直徑;ρ為水的密度;u為拍擊速度,即桿件與水質點的相對速度,對于海上固定平臺的桿件來說,應為水質點的垂直速度;Cs為拍擊系數。

2 相關計算參數的選取

2.1 水質點垂直速度 u

以線性波為例,其流場速度勢表達式為

因此,可得到其水質點垂直速度為

或者

式(2～4)中:H為波高;T為波周期;ω為波頻,ω=2π/T;k為波數,k=2π/L,L為波長;d為水深;g為重力加速度;x為質點水平位置;z為質點垂直位置;t為時間。

由上述表達式可看出:

(1)水質點垂直速度u是波浪相位角kx-ωt的函數。當波浪沿著桿件軸線方向傳播時,水質點垂直速度在此方向上呈周期性變化。由于桿件某點出現某一相位的時間是不確定的,所以產生垂直速度最大值時所對應的桿件位置以及波浪對桿件的拍擊作用也是不確定的。

當波浪垂直于桿件軸線方向傳播時,同一相位(時刻),桿件軸線方向上每一點的水質點垂直速度都是相同的。在半個波浪周期內,水質點垂直速度的最大值總會出現一次。

在實際工程中,可不考慮波浪的傳播方向,并且按照桿件軸線方向上水質點的垂直速度都等于其最大值,即為線性均布荷載來計算。

(2)水質點的垂直速度u是水深d的函數,即波浪在不同的水深條件下將產生不同的水質點垂直速度。在作導管架整體計算時,采用的水位一般包括極端低水位、極端高水位、最低天文潮和最高天文潮。與之相一致,在計算水質點垂直速度時,可將水深 d在最小值(對應極端低水位)和最大值(對應極端高水位)之間調整,以得到最大速度。

在實際工程中,可只選取四個水位(極端低水位、極端高水位、最低天文潮和最高天文潮)進行水質點垂直速度的計算,選取最大值即可。

由于用于整體計算的軟件SACS帶有計算質點的速度和加速度的功能,因此,拍擊速度可以直接從SACS的計算結果中選取。

2.2 拍擊系數Cs

波浪拍擊系數Cs由試驗確定。由于各學者的試驗條件與方法不同,其得到的結果差別較大。綜合Dalton和Nash(1976)、Mill(1977)、Sarpkaya(1978)、Isaacson和Prasad(1993)等學者的研究成果,Cs的取值范圍為0.5～7.79。

Sarpkaya(1978)指出系數 Cs的經驗值是它的理論值π的0.5～1.7倍,它取決于水的上升時間和彈性安裝的桿件自振頻率。Sarpkaya和Isaacson建議,如果進行動力響應分析,可以使用理論值 Cs=π,否則應取 Cs=5.5。對于光滑圓截面桿件,Cs應不小于3.0[1]。

因此,在實際工程中,對桿件進行強度分析時,可取 Cs=5.5。

2.3 桿件有效直徑 De和拍擊直徑Ds

在計算桿件慣性矩 I或抗彎模量W時,所用的桿件直徑應當為有效直徑De(由桿件直徑D的基礎上剔除腐蝕和裂紋厚度后得到)。如圖1所示,桿件腐蝕最大厚度為 Tcor,裂紋最大厚度為 Tcrk,則有效厚度為 Te=T-max(Tcor,Tcrk),有效直徑為De=D-2Te。上述計算公式是基于最大腐蝕或裂紋厚度貫通于整根桿件而假定的。

公式(1)中的桿件直徑應當為拍擊直徑Ds。實際上,由于腐蝕和裂紋可能只發生在桿件的局部,桿件受波浪拍擊作用范圍的減小量并不明顯,因此可以假定拍擊直徑 Ds不受腐蝕和裂紋的影響。另一方面,應當考慮海生物附著、附屬構件等對桿件作用范圍的影響,因此,拍擊直徑應在桿件直徑D的基礎上等效增大。

圖1 桿件裂紋和腐蝕示意圖

2.4 桿件有效長度Le

由公式(1)計算的拍擊荷載為線荷載,要計算桿件的彎矩,還應確定桿件的有效長度Le。由于拍擊荷載是垂向的,因此只有在立面上的斜撐才對水平桿件產生有效支撐作用。如圖2所示,斜撐 DC、EC對水平桿件AB產生支撐作用。因此,水平桿件 AB可以分為A C和CB兩段分別進行計算,其有效長度分別為AC和CB的長度。

而在平面上的斜撐并不產生作用。如圖3所示,斜撐DC、EC對水平桿件AB不產生支撐作用(理論上說,是有一定作用的,但在實際工程中,可不予考慮)。因此AB的有效長度即為AB的實際長度。

2.5 桿件端部約束形式

桿件端部約束形式影響以下兩個參數:

(1)桿件的自振周期。根據理論計算公式,桿件的自振周期會影響拍擊系數Cs,但如前文所述,Cs值可依照經驗選取,桿件自振周期(以至桿件端部約束形式)不需再考慮。

(2)桿件的最大彎矩。不同約束條件下,承受同樣荷載的桿件的最大彎矩及最大彎矩出現的位置是不同的。由于導管架水平桿件的端部與腿柱焊接連接,可假定桿件約束條件為兩端固定。當考慮導管架立面斜撐的作用時,如圖2中的桿件 AC和CB,由于 C點受到較大的垂向約束,也可以假定上述兩桿件約束條件為兩端固定。

圖2 立面支撐示意圖

3 波浪拍擊應力與在位應力組合

相關參數確定后,可計算出沿桿件軸線方向上各點的波浪拍擊應力。同時,從SACS程序的整體計算結果中可以查看該桿件各點上的在位應力,把此二項應力進行組合,即可得到桿件最大應力及其出現的位置。

在實際工程中,可以假定在沿桿件軸線方向的各點上,波浪拍擊應力和在位應力均為其最大值,組合時把二者直接疊加即可。

圖3 平面支撐示意圖

4 工程實例

以潿洲11-1N井口平臺導管架飛濺區的一水平桿件為例,對其進行波浪拍擊計算。平臺位置水深為37.2 m,極端低水位為-0.44 m,極端高水位為+5.70 m,最低天文潮位為±0.00 m,最高天文潮位為+5.23 m。

波浪和海流的極值如下表1、表2所示。

表1 潿洲11-1N油田波浪的極值

表2 潿洲11-1N油田海流的極值

極端高水位和極端低水位對應100年一遇的波流條件,最高天文潮和最低天文潮水位對應1年一遇的波流條件。

采用流函數理論,利用SACS程序進行計算,得到各水位條件下,水質點由海底到水面范圍內不同高度和不同相位的垂直速度。

該平臺導管架處于飛濺區的水平桿件標高為+6 m,則其與海底垂直距離為 d=37.2+6=43.2 m。根據SACS程序的計算結果,該處水質點速度最大值對應的水位為極端高水位,其值為 u=3.5514 m/s。

選取的水平桿件截面尺寸為 Ф610 mm×19 mm,長度為15 m,考慮7.5 mm的腐蝕厚度后,截面有效尺寸為Ф595 mm×11.5 mm;考慮走道、欄桿等附屬桿件對拍擊荷載的影響(該處無海生物附著),拍擊直徑Ds等效增大至900 mm,則:

桿件單位長度的拍擊荷載Ws=0.5ρCsDsu2=0.5×1.025×5.5×0.9×3.55142=31.9962 kN/m;最大彎矩 Mmax=Ws×L2e/12=31.9962×152/12=599.93 kN·m;抗彎截面模量W=π×(D4e-d4e)/(32D)=3.141×[0.5954-(0.595-0.0115×2)4]/(32×0.595)=0.0030 m3;拍擊應力 fb=Mmax/W=599.93/(0.0030×1 000)=198.86 MPa;根據文獻[1],由管徑與壁厚的比值 De/Te,查到允許彎曲應力的表達式,在極端工況下允許彎曲應力可以提高到1.33倍,Fb=355×0.84×1.33=397.5 MPa,則拍擊應力系數為fb/Fb=198.86/397.5=0.50。

由在位計算結果得知,該桿件最大在位應力系數為0.39。把此二項系數組合得0.50+0.39=0.89<1.0,桿件滿足強度要求。

5 結束語

本文對波浪拍擊的相關參數的選取進行了分析,并結合海洋工程的實際需要,作了一些偏于保守的簡化和假定。應該說,按照此法對波浪拍擊進行計算的結果是可靠的。但如通過計算,發現一些桿件不能滿足強度要求,則可考慮對相關參數進行更加詳盡的分析和調整,以更合乎實際需要。

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[12] 蘇翼林.材料力學[M].天津:天津大學出版社,2003.

Parameters Analysis for Calculation of Wave Slamming on Platform Jackets

PENG Shao-yuan, DENG Xin, YIN Yan-kun, HUANG Lian-ying, DENG Xiu-ming
(Research&Development Center,Field Construction Engineering Co.,CNOOC,Zhanjiang 524057,China)

TE53

A

1001-4500(2010)04-0032-04

2010-03-15; 修改稿收到日期:2010-06-12

彭紹源(1982-),男,工程師,主要從事海洋工程結構設計。