海洋平臺應急撤離系統的運動特性

陳海龍， 馮 陳， 任少飛， 王詩平， 孔凡凱

(哈爾濱工程大學 a. 船舶工程學院; b. 機電工程學院，哈爾濱 150001)

海上應急撤離系統是海難發生時協助人員從登乘甲板迅速轉移到救生艇/筏的救生設備，主要裝備于各類客滾船和海洋平臺。[1]典型海洋平臺應急撤離系統[2]，見圖1。

隨著我國海洋事業發展逐步邁向深海，海洋平臺的發展取得一系列成就，但作為關鍵配套裝備的海洋平臺應急撤離系統的設計和生產技術一直被國外廠商壟斷。我國雖然已成功研制出用于滾裝船的小尺度海上應急撤離系統，但對于大型垂直式海洋平臺應急撤離系統的研發尚處于起步階段，相關文獻局限于其功能介紹[3-5]，尚未對海洋平臺應急撤離系統在極端工作環境下的運動和受力特性進行深入探討。

針對撤離系統的研究，國外學者多采用試驗和數值分析方法。NOLAN[6]開展坡道式撤離系統的縮比模型試驗，對撤離系統在波浪作用下的運動特性與力學特性進行分析，得出影響撤離系統運動特性的環境與結構部分參數。SMITH[7]設計風浪聯合作用下坡道式撤離系統試驗方法，得出撤離系統對母船姿態、風向和布放位置比較敏感。數值研究方面：

1) 將撤離滑道簡化為連續質量點見圖2，從而構建各質量點之間的多體動力學模型。RAMAN-NAIR等[8]應用該方法解決了坡道式撤離系統在風浪流作用下運動響應問題。

2) 借助大型有限元軟件，建立有效的三維數值計算模型，研究在復雜海洋環境下撤離系統的動態響應規律。相比于第一種，有限元方法計算效率更高，但目前該方法尚無研究成果公開發表。[9]

圖2 撤離滑道簡化為連續質量點示意[8]

基于有限元軟件ABAQUS/AQUA，分析風流耦合下海洋平臺應急撤離系統的運動特性，通過與理論值對比，驗證有限元方法的可行性，在此基礎上提出一種極端海況下海洋平臺應急撤離系統的安全性評估方法。

1 撤離系統三維數值模型

以國際知名廠商維京公司生產的海洋平臺應急撤離系統為研究對象，其安裝在海洋平臺登乘甲板上，安裝高度為28.95 m。釋放時操作人員通過絞車將救生筏和登乘平臺等水上救生設備平穩下放到海平面，下放過程中撤離滑道依次展開，人員通過撤離滑道轉移到登乘平臺，進而通過系泊在登乘平臺上的救生筏轉移到安全區域。海洋平臺應急撤離系統各部件的參數[2]見表1。

表1 撤離系統參數

撤離滑道由芳綸纖維編織成的緊密六邊形網結構構成，主要承受風載。不考慮滑道編織網的局部形變，忽略滑道表面纖維網的建模。由于系統受力的過程，將撤離滑道纖維網所受風載等效到同一水平面對應的配重鋼絲繩和支撐鋼圈上。

采用ABAQUS[9-11]建立海洋平臺應急撤離滑道簡化模型見圖3，鋼絲繩和支撐鋼圈的截面直徑均為0.01 m，鋼絲繩總長33.75 m，支撐鋼圈共27個，鋼圈直徑1.20 m，垂直間距1.25 m，共計6 120個B31單元。鋼絲繩和支撐鋼圈的材料屬性為：密度ρt=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比λ=0.3。

在同一海洋環境下撤離系統的位移幅值與海洋平臺相差很大(見圖4)。[9]在8級風作用下，撤離系統位移響應幅值為3.91 m，而海洋平臺的位移響應不到0.01 m。故忽略海洋平臺進行建模，將撤離系統頂端節點邊界條件設置為U1=U2=U3=0，將底端所有節點與底端中心處參考點設置耦合，底端參考點完全自由。

圖3 海洋平臺應急撤離系統有限元模型圖4 風作用下海洋平臺與撤離系統位移云圖

2 載荷分布

除重力外，海洋平臺應急撤離系統承受的環境載荷主要有流載荷、風載荷和波浪載荷等。從空間分布而言：水面以上的撤離滑道主要承受風載荷，登乘平臺展開后浸水部分主要承受波浪和流載荷，撤離人員與水面以上登乘平臺主要承受風載荷；水下配重塊則主要承受波浪載荷和流載荷。

2.1 系統重力

重力載荷包括滑道和配重塊兩部分，滑道的網結構質量等效分配到支撐鋼圈和承重鋼絲上；配重塊同時承受重力和浮力載荷，將二者等效為集中力施加在滑道末端，方向豎直向下。根據文獻[2]得到系統各部分質量參數如下：配重塊mt=1 539 kg，登乘平臺和撤離人員mlp=1 230 kg，單位長度滑道質量mc=6.8 kg/m。

2.2 流載荷

登乘平臺水下部分所承受的流載荷[12]為

(1)

式(1)中：ρs為海水密度；Ac為作用面積；Cc為結構拖曳系數；Vc為水面表層流速。根據文獻[2]ρs取1 025 kg/m3，Ac取0.6 m2，Cc取1.5，Vc取1 m/s。

2.3 風載荷

對于極端風載情況，其1 h內風速[12]為

U={1+[0.057 3(1+0.15U0)1/2]×ln(z/z0)}[1-0.41Iuln(t/t0)]U0

(2)

式(2)中：U0為距海平面參考高度z0處；t0時間內的平均風速；z為距離海平面高度。根據規范z0取10 m，t0取3 600 s。湍流強度因子Iu[12]為

Iu=0.06[1+0.043U0](z/z0)-0.22

(3)

登乘平臺和撤離人員所受風載荷[12]為

(4)

式(4)中：ρa為空氣密度；Clp為登乘平臺和撤離人員的拖曳系數；vlp為登乘平臺高度處的風速；Alp為登乘平臺和撤離人員的暴露面積。根據文獻[2]ρa取1.29 kg/m3，Clp取1.2，受風面積Alp取10.68 m2，vlp取高度為0.5 m處風速。

滑道所受總的風載荷[2]為

(5)

式(5)中：zm為撤離箱的安裝高度；Cch為滑道拖曳系數；D為結構等效直徑；ts為平均滑道響應時間。根據文獻[2]Cch取0.282，ts取3 600 s。

作用于登乘平臺的等效風力[2]為

(6)

綜合以上載荷分布，根據受力平衡原則，建立平衡方程[2]為

(7)

式(7)中：l為滑道受力伸長后的長度。解此方程可得撤離滑道在風流耦合作用下的穩定傾斜角α，由傾斜角α可算得登乘平臺的水平位移。

3 結果對比與分析

由于海洋平臺應急撤離系統的對稱性，風向僅取x正方向，海流與風向一致。設置2個分析步進行數值計算：第一個分析步為靜態分析，施加重力和流載荷；第二個分析步為隱式動態分析，施加風載荷。采用數值方法得到不同風速條件下撤離系統風流耦合作用位移云圖見圖5。[9]

由式(1)～式(7)受力平衡方程得在不同風速條件下應急撤離系統水平位移理論值，并將其與本文數值方法計算結果進行對比，其中數值解取為底端參考點處位移，計算結果見表2。

a) U0=5 m/sb) U0=10 m/sc) U0=15 m/s

d) U0=20 m/se) U0=25 m/sf) U0=30 m/s

g) U0=35 m/sh) U0=40 m/s

圖5 海洋平臺應急撤離滑道位移云圖

表2 撤離系統位移數值解與理論值對比

撤離系統風速-位移理論值曲線與本文的數值解見圖6。由曲線可知：采用ABAQUS/AQUA軟件模擬得到的海洋平臺應急撤離系統響應與理論計算結果吻合良好，驗證數值方法的有效性；同時，海洋平臺應急撤離系統最大位移隨風速的增加而增大，且與風速呈非線性關系。[9]

圖6 撤離系統風流耦合作用位移對比圖

4 安全性評估

海洋平臺應急撤離系統可能應用于極端海洋環境下，在使用過程中滑道末端不允許與登乘平臺產生脫離，否則人員到達滑道末端時登乘平臺與滑道出口存在垂向間隙，人員將處于懸空狀態，對人員安全造成極大威脅。考慮風浪聯合作用時海洋平臺應急撤離系統安全性校核辦法，文獻[2]給出安全性校核條件為

l1=1.15zm

(8)

(9)

上述校核辦法包括兩部分，在原安裝高度的基礎上增加15%的裕量如式(8)所示，考慮風浪聯合作用時，由式(9)可得出其校核示意見圖7。此方法考核的安全臨界點是滑道末端即登乘平臺恰好處于波峰位置時，此時滑道長度需同時滿足l1≤L和l2≤L，其中L為滑道允許拉伸最大長度。

考慮風浪耦合作用下系統最危險的時刻為登乘平臺隨波浪運動恰好處于波谷位置時，此時若要達到安全標準所需滑道長度最長(見圖8)[9]，因此風、浪、流等載荷產生的水平位移量應滿足[9]

(10)

根據不同海況條件下的系統響應，得到安全性校核考核表(見表3)。

圖7 文獻[2]安全校核標準 圖8 本文安全校核標準

表3 安全性校核對比表

根據風力等級表，8級風時風速為17.2 m/s至20.7 m/s，自由海面浪高5.5～7.5 m，取最大值計算所需滑道長度為33.42 m，撤離系統可安全使用。9級風時，最大波高為10 m，大于9.6 m，故撤離系統在使用過程中存在一定的危險性。

綜上所述，文獻[2]的評估方法顯示在風速大于28 m/s時，系統仍具備一定的安全性。而按照本文提出的校核標準，風速大于24 m/s后，系統在使用過程中便喪失一定的安全性，此考核辦法偏于保守，對救生設備的安全性提出更高要求，這也對以后的國產海洋平臺應急撤離系統的研發具有一定的參考價值。

5 結束語

基于ABAQUS/AQUA建立海洋平臺應急撤離系統在風流耦合載荷作用下的運動響應的三維數值模型，通過與理論值進行對比，驗證本文數值方法的有效性，為后續研究風、浪、流耦合等復雜海洋環境中撤離系統動態響應問題奠定數值基礎。同時，計算結果表明海洋平臺應急撤離系統最大位移隨風速的增加而增大，且與風速呈非線性關系。在此基礎上，提出一種更為嚴格的極端海況下海洋平臺應急撤離系統的安全性評估方法。