風電安裝平臺環境圖譜計算軟件應用分析

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(1.中國船級社 海洋工程技術中心，天津 300457； 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

隨著海上風電場向40 m以上水深發展[1]，風電安裝平臺在作業時，所受的風、浪、流載的作用隨之發生。對于作業海況超出平臺設計所允許的極限時，一般采用2種方法評估平臺的安全性：一是采用類似自升式鉆井平臺“井位分析”的方法進行評估；二是通過查詢操船手冊中的環境圖譜快速進行分析。相對于“井位分析”的方法，環境圖譜包含平臺可能遭遇的所有海況下平臺極限裝載能力，平臺操作者通過查詢圖譜就可以對平臺的安全性進行快速評估，免去了前者重新建模、加載分析的過程，同時在設計階段運用圖譜能方便找到設計短板進而優化設計方案。因此，環境圖譜對平臺設計和操作十分重要，已被很多國際領先的設計公司作為操船手冊的重要組成部分。在計算圖譜過程中，任意數據點值都代表了在一個子海況下滿足規范要求的平臺極限裝載能力，因此需要技術人員對該海況下平臺裝載量進行循環迭代搜索，而圖譜包含數百個子海況，如人工計算十分耗時且無法保證準確性。為找到快速準確的圖譜計算方法，考慮結合CCS規范及sname推薦做法編寫可實現參數化建模和圖譜自動繪制的VB程序，以某4腿風電安裝平臺為算例，對不同水深、風速、邊界條件進行計算，分析該VB軟件的工程應用有效性。

1 有限元模型及參數

某4腿風電安裝平臺的船體為長方形箱型結構，每個圓柱樁腿配備2套插銷式環梁升降系統，升降作業時2套環梁協同作業，升船完畢后上環梁單獨固樁。每個樁腿下端配備一個可拆卸圓形的樁靴。平臺左舷配備一部4 000 kN吊機，可進行舷內和舷外吊裝作業。

1.1 計算模型

采用有限元軟件sacs作為建模工具，計算模型需要結合圖紙及本文研究重點進行適當簡化，簡化后地模型見圖1。

1)主船體的模擬。計算中不考慮主船體構件的強度，因此需要對船體進行等效梁簡化。為保證等效梁與實船剛度一致，需對等效梁做如下規定：①梁截面積與實船一致；②梁扭轉慣性矩與實船一致；③梁抗彎慣性矩與實船一致[2]。

2)樁腿的模擬。本平臺圓柱圓腿內部加強環和外部插銷孔為局部結構，忽略樁腿剛度和環境載荷影響。水動力系數CD=0.65，CM=2。

3)樁腿與船體之間的連接。平臺作業時依靠環梁系統上的液壓插銷對樁腿進行鎖死固樁。模型中通過耦合插銷節點和同一水平層的樁腿節點的垂向自由度進行模擬。

4)邊界條件模擬。模型中考慮帶樁靴和不帶樁靴2種工況，因為樁靴與土壤的相互作用不是本文的研究重點，因此，邊界條件均簡化為鉸支。帶樁靴時模型鉸支點的位置為樁靴型深一半處，不帶樁靴時鉸支點的位置為入泥深度一半處。

1.2 輸入參數

輸入參數見表1。波浪理論選取流函數，各水深氣隙取固定值13.5 m，波浪周期T與波高H的關系滿足以下公式。

有樁靴：

(1)

無樁靴：

(2)

考慮到超出波高上限的子工況既無工程意義也耗費計算時間，因此，需要根據平臺遭受的實際海況限定最大波高。參照中國船級社規范要求，保證波峰到平臺底板至少有1.2 m的峰隙[3]2-46，計算得到計算波高上限見表2，其中，H/T2=0.10；波峰高度ξ參照圖2選取。

表1 計算參數

表2 波高上限

2 計算程序

利用SACS軟件計算平臺遭受的波浪及海流載荷，根據經驗公式計算風載荷、波浪引起的動力載荷及P-D效應載荷。出于計算效率的考慮，選取5個波浪入射方向(0°、60°、90°、120°、180°)。

2.1 計算理論

波浪及流載荷按照莫里森方程進行計算。

F=FD+FI

(3)

式中：F、FD、FI為單位長度的波流力、拖曳力、慣性力。

風載荷采用CCS推薦的經驗公式進行計算[3]2-27：

F=ChCsSp

(4)

P=0.613·10-3V2

(5)

式中：p為風壓；Ch為高度系數；S為投影面積，V為風速。

當水深達到一定深度時，波浪引起的動力載荷不能忽略，計算采用SDOF方法(單自由度)，動力放大系數[3]2-48

(6)

式中：ξ為臨界阻尼的百分比(一般不超過7%)，T為波浪周期，Tn為平臺自振固有周期。

應考慮由軸向壓力和樁腿整體側向位移聯合作用所產生的力，按下式計入P-D效應[3]2-48。

(7)

式中:δ為主船體線彈性一階側向位移；P為樁腿平均受壓載荷；PE為整根樁腿的彈性臨界力。

2.2 程序校核參數

計算極限可變荷載的過程中，荷載既是輸入項也是計算結果項，需反復迭代計算；在迭代過程中，需要設定校核參數進行邏輯判定，當滿足所有校核參數時，認為該子工況符合要求，然后進入程序下一步，校核參數如下。

1)抗傾穩性。平臺抗傾穩性校核公式為[3]3-7

(8)

式中：MK、MQ分別為平臺坐底時的抗傾力矩和傾覆力矩，kN·m；KQ為抗傾安全系數，KQ=1.2。

2)預壓載力。采用船體自重進行對角壓載，不考慮壓載水量。單樁腿升降系統預壓載力為19 600 kN。

3)升降系統固樁能力。平臺升降系統固樁能力為19 600 kN。

4)樁靴承載力。樁靴承載力為20 381 kN。

5)樁腿強度。樁腿強度校核公式參照中國船級社規范。

2.3 程序模塊

基于VB語言，對sacs程序進行二次開發，實現①參數化建模；②自動處理結果數據；③自動繪制環境圖譜[4]。程序分為4個獨立模塊，見圖3。

3 計算結果分析

計算得到不同環境條件下平臺環境圖譜見圖4～9。若可變荷載大于圖中極限值，則平臺處于危險狀態，需要減小可變荷載；若可變載荷小于圖中極限值，則平臺處于安全狀態，平臺能力存有余量。計算分析用時不超過1周，而手工計算分析需要20～30 d才能完成。

3.1 樁靴的影響

由圖4可知，在水深、風速、流速相同的情況下，不帶樁靴曲線包絡面積要大于帶樁靴的包絡面積，即平臺能在更廣的波浪海域作業，承載更多的可變荷載。主要原因是不帶樁靴工況鉸支點在泥面以下的深度比帶樁靴工況要大，導致平臺在相同環境條件下能夠承受的可變荷載變小。

3.2 水深的影響

由圖5可知，當風速、流速相同的情況下，40 m水深曲線包絡面積要小于35 m水深的包絡面積，即隨著水深的增加，平臺能夠承受的可變荷載變小。主要原因是隨著水深的增大，平臺重心高度和環境載荷作用高度都會增大，導致平臺在相同波高時能承受的可變荷載變小。

3.3 風速的影響

由圖6可知，當水深、流速相同的情況下，51.4 m/s風速曲線包絡面積要小于20.6 m/s風速曲線的包絡面積，即隨著風速的增加，平臺能夠承受的可變荷載越小。主要原因是隨著風速的增大，船體所受風載荷逐漸增大，導致平臺能夠承受的可變荷載變小。

4 結論

1)通過編制的VB程序，計算環境圖譜的效率相對手工方法能夠提升3倍以上。

2)當其他輸入條件相同時，圖譜包絡面積隨水深、風速的增大而變小，鉸支邊界的圖譜包絡面積比固支邊界小，這種變化趨勢符合工程實際，該程序在工程應用時可行。

3)程序對土壤與樁靴的相互作用進行了簡化，其計算結果相對實際值存在偏差，今后可考慮將土壤和樁靴相互作用的研究成果加入到該程序中。