深水半潛平臺(tái)的環(huán)境載荷分析

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(中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，北京 100081)

深水半潛式鉆井平臺(tái)在作業(yè)海域中時(shí)刻受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，尤其在惡劣海況條件下，有可能造成系泊系統(tǒng)的破壞。因此應(yīng)根據(jù)目標(biāo)海域環(huán)境條件，分析平臺(tái)環(huán)境載荷的作用，并評(píng)估平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。本文所討論的平臺(tái)為工作在我國(guó)南海水域的半潛平臺(tái)，工作水深1 500 m，最大鉆井深度為10 000 m。

1 目標(biāo)平臺(tái)的環(huán)境載荷計(jì)算

風(fēng)速是脈動(dòng)的，一天之中風(fēng)速變化很大，需取某一時(shí)距的平均風(fēng)速[1]。由于所取的時(shí)距長(zhǎng)短不同，風(fēng)速的名稱也不同。常用的有陣風(fēng)風(fēng)速、持續(xù)風(fēng)速、穩(wěn)定風(fēng)速等，各國(guó)船級(jí)社的平臺(tái)規(guī)范中也都有各自的規(guī)定。中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)定，時(shí)距1 min的設(shè)計(jì)風(fēng)速用于局部構(gòu)件的基本風(fēng)壓計(jì)算；時(shí)距10 min的設(shè)計(jì)風(fēng)速用于總體結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓計(jì)算。穩(wěn)定風(fēng)速一般取時(shí)距1 h的平均風(fēng)速[2]。

作用在移動(dòng)式平臺(tái)和系泊的海流作用的輸入條件通常用流速和流剖面表示。

波浪載荷的計(jì)算常采用設(shè)計(jì)波法和波譜法。活動(dòng)式平臺(tái)是海上的孤立式結(jié)構(gòu)物，它的支撐結(jié)構(gòu)(支柱、樁腿、撐桿等)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均受到波浪力的作用。同時(shí)波浪載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和整體穩(wěn)性影響很大，在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮波高、周期、入射方向、波峰與平臺(tái)的相對(duì)位置等因素。

綜合對(duì)南海環(huán)境資料的統(tǒng)計(jì)和分析，最終確定目標(biāo)半潛平臺(tái)的風(fēng)、浪、流環(huán)境輸入條件，采用100年一遇南海有臺(tái)風(fēng)條件作為生存工況，1年一遇南海風(fēng)暴條件為作業(yè)工況，見表1。

表1 確定的環(huán)境輸入條件

注：H1/3為有效波高；TP為譜峰周期;TZ為過零周期

2 目標(biāo)平臺(tái)的風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷對(duì)活動(dòng)式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、漂浮穩(wěn)性和著底穩(wěn)性影響較大，而且由于活動(dòng)式平臺(tái)的定位方向是可變的，因此，平臺(tái)定位時(shí)也應(yīng)考慮風(fēng)向。活動(dòng)式平臺(tái)在設(shè)計(jì)和使用中不僅要考慮風(fēng)速，還要考慮強(qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向。移動(dòng)式平臺(tái)的海上定位方向是可變的，因此根據(jù)不同季節(jié)的工作海區(qū)強(qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向的變化合理地確定平臺(tái)的定位方向，以減少平臺(tái)所受的風(fēng)力。CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定，風(fēng)載荷主要作用于平臺(tái)的上層建筑及水面以上的主體部分，與受風(fēng)面積、受風(fēng)構(gòu)件形狀、受風(fēng)構(gòu)件高度、風(fēng)速等因素有關(guān)。所以，考慮通過平均風(fēng)速與陣風(fēng)譜來描述其對(duì)平臺(tái)系泊狀態(tài)下的平均位移及最大位移的影響。

風(fēng)載荷主要作用于上部模塊及平臺(tái)位于水線面以上的部分。水平風(fēng)載荷的計(jì)算方法如下。

(1)

式中：p——風(fēng)壓力，kN；

vk——設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；

S——平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m2；

Ch、Cs——受風(fēng)構(gòu)件的高度及形狀系數(shù);

f=0.613。

根據(jù)公式(1)目標(biāo)平臺(tái)自存工況和作業(yè)工況，各方向的風(fēng)載荷比較見圖1。

圖1 不同工業(yè)目標(biāo)平臺(tái)的風(fēng)載荷比較

3 目標(biāo)平臺(tái)的流載荷計(jì)算

海流有風(fēng)海流、波浪流、潮流等，海流的流速隨時(shí)間的變化是緩慢的，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中為簡(jiǎn)化計(jì)算，常將它們看成是穩(wěn)定的流動(dòng)，并認(rèn)為它們對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用僅為拖曳力，目標(biāo)半潛平臺(tái)受拖曳力結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 目標(biāo)半潛平臺(tái)受拖曳力的結(jié)構(gòu)

當(dāng)只考慮海流作用時(shí)，作用于平臺(tái)水下部分的海流載荷F為

(2)

式中：CD——曳力系數(shù)；

ρw——海水密度，kg/m3；

v——設(shè)計(jì)海流流速，m/s；

A——構(gòu)件與流速垂直平面上的投影面積，m2。

目標(biāo)半潛平臺(tái)中，平臺(tái)主體及系泊系統(tǒng)都將受到海流的作用，其中平臺(tái)主體尺寸較大，受到的流載荷也較大，采用繞射理論計(jì)算波浪載荷，同時(shí)旁通和下浮體結(jié)構(gòu)也受到粘性力的作用，因此其海流載荷將由式(2)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)式(2)及流速可以得到目標(biāo)平臺(tái)流力系數(shù)。

根據(jù)式(2)計(jì)算0°～360°(間隔為45°)海流方向的流載荷，結(jié)果見圖3。

圖3 目標(biāo)平臺(tái)方向的流載荷

4 目標(biāo)平臺(tái)的波浪載荷計(jì)算

目標(biāo)平臺(tái)在規(guī)則波浪場(chǎng)中承受波浪載荷作用時(shí)，波浪載荷的作用使其在波浪場(chǎng)中作振蕩運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一個(gè)在波浪場(chǎng)中微幅運(yùn)動(dòng)的大尺度結(jié)構(gòu)物來說，波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的作用可以分解為繞射作用和輻射作用兩部分。半潛式鉆井平臺(tái)承受的波浪載荷為波浪繞射載荷和輻射載荷的疊加[3]。應(yīng)用三維勢(shì)流理論，以挪威船級(jí)社(DNV)的SESAM 程序計(jì)算作用在浮體表面上的波浪載荷，再利用SESAM水動(dòng)力分析模塊WADAM 進(jìn)行波浪載荷計(jì)算。對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)，若下浮體采用圓柱橫撐連接，則平臺(tái)可看作小尺寸結(jié)構(gòu)物；對(duì)于小尺寸結(jié)構(gòu)物，波浪的拖曳力和慣性力是波浪載荷的主要分量，波浪載荷用Morison公式計(jì)算。

平臺(tái)自存工況吃水16 m和作業(yè)工況吃水19 m中時(shí)所受的波浪載荷傳遞函數(shù)分析結(jié)果通過DNV的SESAM軟件計(jì)算獲得，波浪方向?yàn)闁|、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個(gè)方向。

波浪載荷作用下浮體的運(yùn)動(dòng)幅值符合Rayleigh分布，其概率密度函數(shù)為

(3)

式中：x——變量；

σ2——方差。

(4)

(5)

有義值R1/3為

PHC臨床發(fā)病率與病死率均較高，其中男性發(fā)病率高于女性，且發(fā)病率隨著年齡的升高而逐漸升高。多數(shù)PHC患者均存在慢性肝病史，多數(shù)肝硬化患者病情嚴(yán)重最終導(dǎo)致PHC。目前臨床上診斷PHC手段較多，其中肝組織穿刺活檢準(zhǔn)確性較高，但具有創(chuàng)傷性，會(huì)導(dǎo)致肝臟出血、患者身體不適，B超、CT等影像學(xué)檢查具有無創(chuàng)性，而檢測(cè)結(jié)果需要經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師進(jìn)行判定，且結(jié)果容易受到個(gè)人主觀因素影響，因此醫(yī)師需要有較高的技術(shù)水平才能夠保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性［8］。

(6)

此外，可進(jìn)一步求得短期響應(yīng)的最大值。短期響應(yīng)最大值與有義值的關(guān)系為

(7)

式中，n——改變量的短期循環(huán)次數(shù)。

目前3 h極值在海洋工程中應(yīng)用的較多，它是基于90%的可靠性得到的，其表達(dá)式為

式中，m0,m2——響應(yīng)譜的零階距和二階距，

利用已得到的目標(biāo)平臺(tái)的波浪載荷響應(yīng)傳遞函數(shù)，結(jié)合目標(biāo)海域海況資料確定的海浪譜，從而得到平臺(tái)不規(guī)則波中短期波浪載荷響應(yīng)。目標(biāo)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)短期預(yù)報(bào)最大值見表2。

表2 目標(biāo)平臺(tái)波浪載荷短期預(yù)報(bào)最大值

可以看出，目標(biāo)平臺(tái)一階波浪力無論是在自存工況還是在作業(yè)工況下，垂蕩運(yùn)動(dòng)、艏搖運(yùn)動(dòng)和縱蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波浪力對(duì)目標(biāo)平臺(tái)影響最大。

5 結(jié)論

2) 目標(biāo)平臺(tái)的流載荷有風(fēng)海流、波浪流、潮流等。海流的流速隨時(shí)間的變化是緩慢的，在平臺(tái)的設(shè)計(jì)中為簡(jiǎn)化計(jì)算，常將它們看成是穩(wěn)定的流動(dòng)，并認(rèn)為它們對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用僅是拖曳力。

3) 一階波浪力無論是自存工況下還是作業(yè)工況下，垂蕩運(yùn)動(dòng)、艏搖運(yùn)動(dòng)和縱蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的波浪力對(duì)目標(biāo)平臺(tái)影響最大。

4) 目標(biāo)平臺(tái)的二階平均漂移力對(duì)平臺(tái)的影響雖然比一階小102～103，但是其對(duì)平臺(tái)的影響也是不容忽視的。

5) 從計(jì)算結(jié)果來看，風(fēng)載荷、流載荷和波浪載荷對(duì)平臺(tái)的影響數(shù)量級(jí)相近，因此以上3個(gè)載荷對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的影響都是不可忽視的。

[1] 潘 斌.移動(dòng)式平臺(tái)設(shè)計(jì)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，1996.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[3] 竺艷蓉.海洋工程波浪力學(xué)[M].天津:天津大學(xué)出版社，1995.