海生物對導管架平臺環境載荷的影響分析

喻之凱,陸月

(1.深圳市潤渤船舶與石油工程技術有限公司,廣東 深圳 518067;2.中國船級社 廣州分社,廣州 510235)

南海東部的導管架平臺作業水深在100 m左右，其環境載荷主要來自于風、波浪、海流等。南海海域平臺投產初期，海生物生長較快，隨后生長速度減慢，厚度漸漸趨于穩定[1]。海生物的附著不僅會增加平臺的自重，而且通過增大導管架桿件的直徑和表面粗糙度，增強對波浪和海流的阻力，從而造成結構物環境載荷增加。有關研究[2]表明，位于英國北海水深100 m的某8樁腿導管架平臺在波高30 m情況下，厚度為50 mm海生物增加重量僅占導管架結構設備總重的0.05%，基底剪力增加量占比達到無海生物附著情況下基底剪力總值的5.64%，水深50 m以內增加量占總增加量的90.78%；厚度為150 mm海生物增加重量占比總重的0.15%，基底剪力增加占比達到17.46%，水深50 m以內增加量占總增加量的91.52%。由此可見，海生物附著會導致平臺承受的環境載荷增加。

工程上一般定期對水下結構物進行檢測，當海生物生長厚度接近設計值時就進行海生物清除工作，但在制定清除范圍時，并無標準指南可循，尤其水深超過50 m部分水下作業需要動用飽和潛水，費用很高。本文從工程角度出發，計算不同海生物清除范圍下導管架平臺的環境載荷，并對其變化趨勢和規律進行分析。

1 平臺環境載荷分析

海洋平臺結構上的波浪誘導載荷一般可以分為3類：拖曳力、慣性力和繞射力。在實際工程中，結構桿件的直徑小于波長的20%時，可以忽略結構物對入射波場的影響，采用只考慮拖曳力和慣性力的半經驗半理論的莫里森(Morison)公式進行波浪力的計算。

1.1 波浪運動

目前沒有適用于任何水深、波高和周期的統一波浪理論，各種理論都有其特定的適用范圍，且互為補充。在進行分析時需根據海況條件選取合適的波浪理論來描述波浪運動，確定波浪水質點的速度勢函數和波面方程，由此來計算作用于平臺上的波浪力。海洋工程常用的波浪理論有：線性艾里(Airy)波理論及非線性斯托克斯(Stokes)波理論等。當波幅和波陡無限小，即認為自由邊界滿足線性條件時，線性波浪理論才適用，一般用于近海導管架平臺的疲勞載荷分析；斯托克斯五階波理論在相當大范圍內可滿足自由液面邊界條件，適用于平臺操作工況和風暴自存工況的環境載荷計算。

1.2 載荷計算

南海導管架平臺的結構桿件直徑一般均小于設計波長的20%，可以采用莫里森公式計算波浪作用在平臺構件上的載荷，平臺的整體環境載荷由莫里森公式得出的局部載荷矢量疊加而成。API規范[3]中莫里森公式如下。

考慮波浪與海流同時作用，通常認為莫里森公式仍可適用，但應將波浪誘導速度和流速進行矢量相加后再采用莫里森公式進行載荷計算[4]。在設計標準中只規定風暴水位時的流速分布，采取線性延伸垂向分布或非線性延伸垂向分布方法將它延伸(壓縮)到局部的波浪表面。經過對比，非線性延伸垂向分布方法得到的平臺總載荷與由波浪和海流垂向分布的典型受拖曳力控制的結構的精確解的誤差較小，故本文采用非線性延伸垂向分布方法計算流速分布。

1.3 拖曳力和慣性力系數

拖曳力和慣性力系數由桿件相對表面粗糙度、雷諾數、Keulegan-Carpenter數、流/波的速度比確定。依據API規范，在計算時，拖曳力系數和慣性力系數采用下列值：

光滑構件：Cd=0.65；Cm=1.6。

粗糙構件：Cd=1.05；Cm=1.2。

2 計算案例

2.1 平臺選取

南海東部海域現服役導管架平臺全部采取4樁腿或8樁腿結構型式，一般包含鉆修井、生產、生活模塊和隔水套管，選取水深在100 m左右的8樁腿和4樁腿平臺各1座進行計算分析。

2.2 平臺環境條件和海生物厚度

為反映平臺真實環境載荷狀態，計算分析采用原始設計的環境條件和海生物厚度，見表1。

表1 設計環境條件和海生物厚度

2.3 計算工況

平臺在水平面一般布置成矩形或正方形，考慮到其幾何對稱性，計算時每座平臺均選擇3個方向進行分析，假定垂直短邊入射為方向1，斜向45°入射為方向2，垂直長邊入射為方向3。

在平臺設計時會分別考慮高水位(H)和低水位(L)情況下，進行操作工況(O)和風暴自存工況(E)環境條件下的載荷分析。本文在此基礎上，將海生物清除范圍納入工況組合，每座平臺在每個方向均組合成44種工況，其中方向1組合工況見表2，方向2和方向3組合工況與此類似。

表2 方向1組合工況列表

2.4 模型建立

依據圖紙資料采用海洋工程結構分析軟件SACS建立導管架平臺結構和載荷模型，結構構件采用桿單元和板單元模擬，包括導管架主體結構、上部結構、隔水套管、立管、靠船平臺,以及樁土模型等，結構模型見圖1～2。本文重點分析海生物清除對環境載荷的影響，故僅施加操作工況和風暴自存工況下的波浪和海流載荷，其他載荷不予考慮。

圖1 8樁腿平臺結構模型

圖2 4樁腿平臺結構模型

3 結果分析

通過計算得到各工況平臺所承受的基底剪力和基底彎矩，為便于對比分析，將計算所得載荷均以相應設計厚度載荷為基礎作歸一化處理，例如,將方向1_LO_原始厚度、方向1_LO_清除10 m……方向1_LO_全部清除各工況計算所得環境載荷均除以方向1_LO_原始厚度工況載荷做歸一化處理，其它類推。分別得到8樁腿和4樁腿平臺載荷隨海生物清除范圍變化曲線圖，見圖3～6。

圖4 8樁腿平臺基底彎矩隨海生物清除變化曲線

圖5 4樁腿平臺基底剪力隨海生物清除變化曲線

圖6 4樁腿平臺基底彎矩隨海生物清除變化曲線

由圖3～6可見，隨著海生物清除范圍的增大，基底剪力和基底彎矩均在減小，但減小速率在逐漸變小，直至趨近于零；海生物清除對操作工況下載荷改善比風暴自存工況好。

從海生物不同清除范圍時環境載荷降低量占比全部清除載荷降低量角度進行分析，結果見表3。

表3 不同清除范圍時載荷降低百分比 %

綜上，清理-50 m范圍內海生物所降低的環境載荷已非常可觀。究其原因:①波浪在上層水體厚度的2～3倍波高范圍內集中了總波能的90%～98%能量;②海生物厚度在水面附近區域最大，使得桿件直徑增加較其他位置顯著。

4 結論

1)南海東部導管架平臺海生物清除范圍與其環境載荷之間具有較強的規律性，可為今后清除范圍制定提供參考。

2)分析表明，以基底剪力和基底彎矩降低百分比為指標制定清除范圍可行。如考慮基底剪力和彎矩減少占總降低量分別為75%和85%時，則可將南海東部8樁腿和4樁腿平臺海生物清除范圍分別設定為水面至-35 m和-45 m。