深水半潛平臺波浪載荷模型試驗研究

蔣彩霞，王 輝，胡嘉駿，徐 春

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

深水半潛平臺波浪載荷模型試驗研究

蔣彩霞，王 輝，胡嘉駿，徐 春

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

波浪載荷作為海洋平臺在生命期內(nèi)最重要的載荷形式，正確評估海洋平臺的波浪載荷對結構的安全性具有重要意義。本文對一座深水半潛平臺的波浪載荷進行模型試驗和數(shù)值計算驗證研究，模型縮尺比為1∶40。采用三維勢流理論對半潛平臺的波浪載荷進行數(shù)值仿真驗證計算。驗證結果表明本次模型試驗方法較好地模擬了半潛式平臺所承受的波浪載荷，其研究成果，可為半潛平臺的設計提供支持。

半潛平臺；波浪載荷；模型試驗

0 引 言

目前，隨著全球人口的不斷增長，陸地資源和能源日趨緊張，各國都把發(fā)展的方向和趨勢轉向占地球表面積71%的海洋上，并逐漸形成了投資高、風險大、高新技術密集的能源工業(yè)新領域。而深水半潛式平臺有著特殊的結構形式，水線面積小，在對波浪和海流的響應方面有著良好的性能[1]，作為海洋油氣開發(fā)重要裝備形式之一，目前已經(jīng)成為國際上深海勘探的主流裝備形式。由于世界上的深水油田多分布在環(huán)境惡劣的海域，且半潛式平臺與一般航行船舶不同，在遇到惡劣海況時不能規(guī)避，因而在結構設計階段必須要考慮其在生命期內(nèi)可能要遭遇的海況，要具備足夠的強度，以保障平臺上人員及設備的安全[2,3]。深水浮式平臺系統(tǒng)承受的風、浪、流等環(huán)境載荷，按頻率帶可劃分為平均環(huán)境載荷、波頻載荷、低頻載荷和高頻載荷。而波浪載荷是平臺所受環(huán)境載荷的主要部分[4]。波頻載荷是直接作用在平臺浮體、系泊和立管上并引起平臺一階波浪運動的波浪循環(huán)載荷，出現(xiàn)頻率較高，在平臺構件力和系泊系統(tǒng)力中占主要成分，其波浪周期一般介于5～20 s之間，是平臺強度分析、結構設計與安全評估中一個非常重要的載荷，正確計算和評估波浪載荷對結構安全性具有重要意義[5]。目前各大船級社規(guī)范均規(guī)定半潛平臺的波浪載荷估算需通過基于三維水動力理論的設計波法進行預報[6-8]。與船舶類似，試驗手段對于了解半潛平臺在海浪中的運動和載荷特性具有重要意義，水池模型試驗仍然是最易操作和經(jīng)濟的試驗手段。但就目前的資料顯示，平臺的水池試驗目前大多集中在運動方面的測量，波浪載荷的試驗非常少，其主要原因在于平臺波浪載荷及測量系統(tǒng)的復雜性。本文采用模型試驗和數(shù)值仿真2種方法對半潛式平臺的波浪載荷進行研究，采用安裝了低頻軟彈簧的分段模型來開展模型試驗，低頻彈簧系統(tǒng)的主要作用是模擬動力定位和錨泊系統(tǒng)對平臺的作用。本次模型試驗在中國船舶科學研究中心（CSSRC）開展。相應的數(shù)值仿真采用SESAM軟件進行計算。通過對比分析，試圖對平臺波浪載荷的特性、主要影響參數(shù)以及計算方法進行研究，該研究成果對工程實踐具有一定的指導作用，可為工程設計人員提供借鑒。

1 模型試驗

1.1 試驗模型

本次模型試驗在中國船舶科學研究中心的耐波性水池開展，該水池長69 m，寬46 m，深4 m。試驗模型縮尺比為1:40，模型線型與平臺幾何相似，重心位置、慣性半徑等參數(shù)按照相似準則與半潛平臺一致[4]。試驗模型和測點布置如圖1所示。本次試驗中所用的縮比模型由彈簧系統(tǒng)、測量梁及玻璃鋼船體等組成。由于深水半潛平臺的定位系統(tǒng)可能采用動力定位系統(tǒng)或者系泊系統(tǒng)。而模型試驗中無法完全模擬其對波浪載荷的影響，因而在縱向的首尾位置采用4根低頻軟彈簧固定，以達到目標平臺在波浪中穩(wěn)定的運動狀態(tài)。本次模型試驗采用雙梁測試（雙梁分別標定。測量結果由測量梁A和測量梁B的結果在時域上合成獲得）。

圖 1 模型試驗彈簧系統(tǒng)與測點布置Fig. 1 Graphic of semi-submersible platform model test system and measuring point arrangement

試驗中，規(guī)則波采用不同的波長和波高組合進行模擬，不規(guī)則波采用ITTC推薦的雙參數(shù)譜。主要試驗工況詳見表1。

表 1 模型試驗工況Tab. 1 EXPERIMENTAL CASES

圖 2 Mv RAO（浪向 90°）Fig. 2 Mv RAO (direction 90°)

圖 3 Qv RAO（浪向 90°）Fig. 3 Qv RAO (direction 90°)

1.2 規(guī)則波試驗結果

本次試驗主要測量4種載荷，包括中縱剖面上的垂向彎矩Mv，垂向剪力Qv，剖面上的分離力Fs以及扭矩Mt，分別由2條梁上測得的剖面載荷進行合成得到。對中縱剖面上的4種載荷成分作傳遞函數(shù)分析，其載荷傳遞函數(shù)如圖2～圖5所示。從圖中可以看出，對于橫浪下的垂向彎矩，其出現(xiàn)最大響應的周期在1.534 s附近；對于橫浪下的垂向剪力，其出現(xiàn)最大響應的周期在1.23 s附近；對于橫浪下的分離力，其出現(xiàn)最大響應的周期在1.534 s附近；對于150°頂斜浪下的扭矩，其出現(xiàn)最大響應的周期在1.402 s附近，分離力及扭矩峰值出現(xiàn)的區(qū)域均與規(guī)范中的規(guī)定較為接近。垂向彎矩和分離力的響應周期及傳遞函數(shù)形式具有一定的相似性，在波浪周期為1 s左右2種載荷均存在一個較大的響應峰值。

圖 4 Mt RAO（浪向 150°）Fig. 4 Mt RAO (direction 150°)

圖 5 Fs RAO（浪向 90°）Fig. 5 Fs RAO (direction 90°)

1.3 不規(guī)則波試驗結果

不規(guī)則波中典型的載荷及加速度記錄曲線見圖6。由圖可知，在不規(guī)則波工況出現(xiàn)極大波高的情況下，各載荷及加速度分量均具有少部分高頻振蕩成分，這應該與斜浪狀態(tài)下的立柱及下甲板砰擊有關。對4種載荷成分Mv，Qt，F(xiàn)s以及Mt的波浪成分及合成值進行weibull分布統(tǒng)計分析，可以看出，半潛平臺在波浪下的剖面載荷響應與weibull分布符合甚好，尤其是對于各載荷分量的總響應（波浪成分+高頻成分）。

圖 6 不規(guī)則波工況典型載荷數(shù)據(jù)記錄曲線Fig. 6 Typical record curve of irregular wave

2 數(shù)值計算驗證

采用SESAM/Genie，根據(jù)平臺線型建立三維濕表面模型，共3 357個單元。對于橫撐建立Morison模型，采用Morison方程計算波浪載荷。對應于目標平臺生存工況，建立相應的質(zhì)量模型。質(zhì)量模型確保與實際平臺的總重、重心位置和慣性半徑一致。

由于平臺立柱與浮筒外輪廓是對稱結構，采用SESAM/Genie，根據(jù)平臺結構建立1/2三維濕表面模型。三維濕表面模型劃分至模型頂端，共3 357個單元。對于撐桿，采用Morison方程計算波浪載荷。

由于不同的浪向、周期以及相位下，波浪對平臺的作用力有很大的差異，因此應計算不同的浪向、周期的波浪在不同相位對平臺的載荷，從中選取載荷最大的工況。

浪向范圍取0～180°，浪向間隔15°，同時在斜浪方向上對浪向加密（40°，50°）。波浪周期范圍取3～40 s，在特征周期附近取0.25 s，在其他區(qū)域取2 s。計算的響應量為剖面力和彎矩，選取中橫剖面和中縱剖面為計算剖面，以確定不利波浪的參數(shù)。

試驗主要測量4種載荷，包括中縱剖面上的垂向彎矩Mv，垂向剪力Qv，剖面上的分離力Fs以及扭矩Mt。對測量的4種載荷進行分析，在各載荷出現(xiàn)極值的工況中，模型試驗結果和數(shù)值計算的對比見圖7～圖10。

圖 7 中縱剖面垂向彎矩MV RAO試驗結果與數(shù)值計算結果比較（浪向90°）Fig. 7 Comparison of vertical moment RAO between model test and numerical calculation results (direction 90°)

從圖7～圖10可以看出，數(shù)值計算結果與模型試驗結果吻合良好，典型計算工況的載荷傳遞函數(shù)極值周期，幅值均在誤差允許范圍內(nèi)。從而驗證理論預報方法和波浪載荷數(shù)值計算模型的可靠性及精確度。同時，極值出現(xiàn)周期和浪向與相關設計規(guī)范規(guī)定的一致，但值得注意的是，在波浪載荷的數(shù)值計算與試驗結果中，規(guī)范規(guī)定之外的小周期5 s時，約為極值周期的1/2處，中縱剖面上的各主要載荷出現(xiàn)了一個高頻第二峰值。而高頻載荷是由2階和頻或更高階波浪力使平臺產(chǎn)生高頻共振的載荷，其響應涉及springing（高頻振動）和ringing（超高頻振動），前者具有相對穩(wěn)定的特征，后者具有相對瞬時的特征，可引起平臺垂蕩、橫搖、縱搖運動，典型的固有周期是在1～5 s之間。因此在波浪載荷的數(shù)值預報中，除了相關規(guī)范規(guī)定的典型計算工況的載荷，也應關注高頻波浪的響應，在波浪載荷搜索的過程中，為了更好地抓住載荷的響應特性，應將此高頻波浪納入搜索范圍。

圖 8 中縱剖面垂向剪力QV RAO試驗結果與數(shù)值計算結果比較（浪向90°）Fig. 8 Comparison of vertical shear RAO between model test and numerical calculation results (direction 90°)

圖 9 中縱剖面對開力Fs RAO試驗結果與數(shù)值計算結果比較（浪向 90°）Fig. 9 Comparison of split force RAO between model test and numerical calculation results (direction 90°)

圖 10 中縱剖面扭矩Mt RAO試驗結果與數(shù)值計算結果比較（浪向 150°）Fig. 10 Comparison of torsion RAO between model test and numerical calculation results (direction 150°)

不規(guī)則波統(tǒng)計結果與數(shù)值計算短期預報結果的比較詳見表2。其結果表明，Mv，Qv，F(xiàn)s的最大響應均出現(xiàn)在C04工況（H1/3=329.1 mm，TZ=1.836 s，浪向90°），Mt最大響應出現(xiàn)在C02工況（頂斜浪150°）。從而驗證了設計波方法在典型危險波浪工況計算中的準確性。不規(guī)則波試驗統(tǒng)計結果與數(shù)值計算短期預報結果出現(xiàn)極值的工況一致，典型載荷響應的數(shù)值計算短期預報結果均略大于試驗值統(tǒng)計值，且誤差在25%以內(nèi)。

表 2 不規(guī)則波統(tǒng)計結果與數(shù)值預報短期預報結果比較Tab. 2 Statistics results of test irregular waves and numerical prediction of short-term

3 結 語

本文以一座深海半潛式鉆井平臺為例，對其進行了波浪載荷水池模型試驗和數(shù)值計算驗證。分析對比了模型試驗和數(shù)值計算結果后，得出以下結論：

1）典型波浪載荷計算工況的運動傳遞函數(shù)，剖面載荷傳遞函數(shù)的試驗值與數(shù)值計算結果傳遞函數(shù)的響應極值和極值周期吻合良好，說明本模型試驗方法較好地模擬了半潛式平臺所承受的波浪載荷；

2）波浪載荷模型試驗結果與數(shù)值仿真結果規(guī)則波傳遞函數(shù)吻合良好，且數(shù)值計算能更好地捕捉波浪載荷響應極值與周期；

3）模型試驗結果和數(shù)值計算中，典型載荷的傳遞函數(shù)在1/2的極值周期處，均存在第二峰值現(xiàn)象，這個高頻波浪不在規(guī)范要求的計算范圍內(nèi)，但在結構的設計和載荷的計算中需要額外注意。

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[6]DNV. RECOMMENDED PRACTICE DNV-RP-C103.

[7]DNV. OFFSHORE STANDARD DET NORSKE VERITAS DNV-OS-C101.

[8]Det Norske Veritas. SEASAM USER’S MANUAL/WADAM.

Wave load model test investigation of deep sea semi-submersible platform

JIANG Cai-xia, WANG Hui, HU Jia-jun, XU Chun
(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Wave load as the most important load form of offshore platforms whole life, properly assess the wave loads on offshore platform safety is great significance. Wave load model tests and numerical calculation on a deepwater semi-submersible platform were carried out with model scale ratio 1∶40. Using three-dimensional potential flow theory the numerical simulation of wave load for semi-submersible platform was calculated. The results show that this model test method can get real character of wave load, and the research results may be helpful for semi-submersible platform designer.

semi-submersible platform；wave load；model test

U661.1

A

1672-7649(2017)11-0100-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.019

2017-01-09；

2017-07-10

國家自然科學基金資助項目(51239008)

蔣彩霞(1983-)，女，高級工程師，研究方向為船舶及海洋工程結構物結構強度。