超深水半潛式平臺局部結構設計中的波浪荷載

張興剛，竇培林，孔令海

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

根據DNV GL-2018 年度油氣行情調查顯示，隨著經濟的供給側結構性改革，與資源使用的合理化配置，各國在海洋油氣資源開發領域投入了大量的物力和財力，行業熱情逐漸高漲，特別是深遠海油氣資源開發方面。眾所周知，半潛式鉆井平臺在深遠海油氣資源開發中占有重要地位。經勘探，我國南海深遠海海域油氣資源儲量巨大，但是所在位置的海水深度較大，現在主流的鉆井平臺難以滿足作業需求[1]。因此，適合超深水海域作業的鉆井平臺開發設計就成為必然。深遠海海域環境極其惡劣，對超深水鉆井平臺的結構設計就提出了更高的要求，如果在平臺設計及建造各個階段都能很好預測平臺在各種工況中所受載荷情況，會對平臺結構設計起到很大的幫助作用，因此對于設計波法的研究十分有必要。

1 典型工況

根據某半潛式鉆井平臺在南海長期作業的經驗積累，了解到半潛式鉆井平臺在設計中常常忽略立柱與下浮筒連接的十字節點位置的結構加強，導致在定期結構檢修時在該位置常常出現結構裂紋，該節點在整個平臺結構中具有至關重要的地位。一旦工作中出現問題，后果不堪設想。因此本文針對立柱與下浮筒十字連接位置，做進一步的波浪載荷探究。

對于立柱與下浮筒連接位置所受到的力和彎矩分析，對該節點產生威脅的特征載荷工況為中縱剖面縱向剪切力和縱向扭轉彎矩、中橫剖面橫向分離力和垂向彎矩。文中標號如表1 所示。

2 波陡計算方法

2.1 規則波波陡

全球海域風暴短期海況的規則波波陡S計算公式[2]為：

式中：H為波高；T為周期；DNV 規范中提出百年一遇的波陡S的計算公式為：

式中：H100為百年一遇最大規則波波高，南海海況的H100可設置為30.69 m。

2.2 不規則波波陡

不規則波一般是以短期海況的波高Hs和周期Tz為參考數值，繪制相應的不規則波波譜。不規則波波陡的計算方法為：

式中：Hs為有義波高；Tz為平均跨零周期。百年一遇的不規則波波陡可采用下式計算：

3 設計波方法

設計波方法的本質是將結構物置于某種波浪環境下，通過對浪向、波高、周期等參數的組合計算，分析結構受載情況，得到能夠使結構物狀態最不利的一種波浪組合參數的一種計算方法[3]。這組最不利的波浪組合參數就是此工況下的設計波參數。當對局部結構分析時，局部受載應是局部結構最危險工況下的受力，因此探尋局部結構的最危險工況是一個必要過程。

3.1 確定性設計波法

確定性設計波法的計算過程主要是基于波陡和周期2 個參數，通過選定的危險周期結合規則波波陡計算公式，得到波幅計算值，再將波幅與對應周期相乘得到一系列載荷，其中最大值對應的波高和周期就是該工況下的規則波設計波參數，浪向和相位角由最大RAO 決定[4–6]。該方法易操作、計算速度快。

3.2 隨機性設計波法

隨機性設計波法又稱為波浪譜分析法，是一種基于不規則波波譜進行載荷響應的短期預報，進而得到設計波基本參數的波浪載荷預報方法。由于隨機性設計波法在計算波浪載荷響應的同時，考慮了海況條件的不規則性和隨機性，即海浪譜的不確定性、隨機性。從考慮概率分布不均勻的角度分析，隨機性設計波法比確定性設計波法更科學，精確度更高[4–6]。

3.3 長期預報法

長期預報設計波法是一種在完整波浪環境下，基于海域長期統計結果對波浪載荷進行長期預報。在計算過程中認為各短期預報值相互獨立，并且均服從Rayleigh 分布，各短期預報值通過加權組合形成長期概率分布下的波浪載荷。長期預報法的關鍵在于波浪譜和概率水平的選擇[7–8]，在工程應用中考慮到計算效率和船舶服役期間所遭受的環境情況（特別是波浪載荷方面），波浪譜的選擇一般會采用頻域譜，通過頻域譜分析法進行波浪載荷的響應預報；而概率水平選擇一般采用10-8。波浪散布圖是通過海域環境長期觀測結果統計得到，其中較為常用的2 種是基于全球海浪統計資料的全球海域波浪散布圖(DNV-WW)和最危險海域北大西洋波浪散布圖(DNV-NA)。由于南海海域環境復雜，尚未有較明確的波浪統計資料，可以采用DNV-WW 代替。

4 算例分析

4.1 目標平臺基本參數

目標平臺為南海某半潛式鉆井平臺近似模型，基本特征為雙浮筒，四立柱，立柱中間有4 根近似圓形截面的橫撐，平臺甲板以上裝配有鉆機，鉆臺，井架，吊機等基礎設備以及甲板室生活樓等基礎設施，并且設計時該平臺在甲板以上還具有較大的可變載荷量。該平臺的基本參數如表2 所示。應用SESAM 軟件，進行目標模型波浪載荷的預報分析和平臺運動響應分析。目標平臺的濕表面模型如圖1 所示。結構模型如圖2 所示。

表2 目標平臺基本信息Tab.2 Basic information of target platform

圖1 目標平臺濕表面模型Fig.1 Wet surface model of target platform

圖2 目標平臺結構模型Fig.2 Target platform structure model

4.2 波浪載荷計算

4.2.1 特征載荷RAO

為適應南海海域超深水油氣資源開發，該目標平臺設計使用在4 000 m 水深，結合南海長期統計海況和平臺結構設計特點——平臺結構呈1/4 對稱，確定波浪載荷研究分析時只考慮0°～90°浪向，浪向分布間距為15°。在周期3～25 s 內進行波浪搜索，并在危險周期內（6～12 s）進行周期步長加密計算，加密周期步長設置為0.2 s，其他設置為2 s。因此載荷傳遞函數計算基于7 個浪向，40 個周期。表1 選取的4 個關鍵特征載荷的響應幅值算子（RAO）如圖3 所示。

圖3 關鍵特征載荷RAOFig.3 Key characteristic load RAO

1）作業海域為中國南海，作業水深4 000 m;

2）浪向0°～90°（步長15°）;

3）周期3～25 s；其中，6～12 s（步長0.2 s），14～25 s（步長2 s）

4.2.2 環境波浪條件

對于不同的設計波法，波浪輸入條件有所不同。

1）確定性設計波法：

規則波周期選取3～25 s，最小步長為0.2 s，最大步長為2 s。結合2.1 節規則波波陡計算方法，由此來確定一系列的輸入規則波，輸入規則波如圖4 所示。

圖4 確定性設計波規則波Fig.4 Deterministic design wave and regular wave

2）隨機性設計波法：

不規則波的周期選取3～25 s，步長為0.2～2 s，結合2.2 節不規則波波陡計算公式，確定一系列短期海況。對于波譜參數的選擇，如表3所示。

表3 環境組合方式及波浪參數設置Tab.3 Environment combination mode and wave parameter setting

3）長期預報設計波法：

分別選取基于全球海浪統計資料的全球海域波浪散布圖（DNV-WW）和最惡劣的北大西洋波浪散布圖（DNV-NA）。

對于不同海域波浪環境參數的設置，沒有固定的選擇方案，所以根據以上波浪環境輸入條件，設計8 種特殊環境組合方式，分別采用3 種不同設計波法，2 種波浪散布圖，以及2 種不同的波譜形式，其中Jonswap的影響因子選取2.0 和2.4，詳細組合方式如表3 所示。

4.3 結果分析與討論

根據上文分析設置不同的波浪環境組合工況，分別進行求解設計波參數，不同組合方式下計算結果對比如圖6 所示。

圖6 不同環境組合工況下的設計波波高Fig.6 Design wave height under different environmental combination conditions

由圖6 對比可知，3 種設計波法計算值之間差距較大，其中計算結果最為保守的是確定性設計波法，并且其計算值與另外2 種方法的計算值差距較大，只有在SEC1014 載荷時，確定性設計波法的設計波波高計算值與隨機性設計波波高計算值較為接近。從圖中不難看出，同一種設計波方法，不同環境參數之間差距不是很大，且在隨機性設計波法中，Jonswap 譜中增強因子選取2.0 和2.4 差距較大，并且增強因子選取2.4的計算結果與選擇P-M 波譜的計算結果更接近；在長期預報法中，相對于波譜形式對設計波波高的影響，波浪散布圖的選取對計算結果的影響更大，從圖中曲線可以看出波譜形式選擇Jonswap 譜（包括不同的增強因子）和P-M 譜計算結果基本一致，但是波浪散布圖在選取DNV-NA 時計算結果明顯大于采用WW 波浪散布圖的。

在計算結果統計中變化較為特殊的是長期預報設計波法的計算值，一般而言，根據規范選取的特征工況進行計算，長期預報法的計算值應該是3 種設計波法中的最精確值，換言之，計算結果應該是最小。出現這種情況的原因是在選取特征載荷工況時，不是根據平臺整體結構的危險狀況選取，而是只針對本文所關注的立柱與下浮筒連接處的十字節點，所以通過大概率方式進行統計分析的隨機性設計波方法不能很好發揮作用。

結合上述分析，在3 種設計波方法中，長期預報法更適合本文想要研究的關鍵節點，并且在計算設計波參數時波浪環境條件保守情況下選取最危險的波浪散布圖DNV-NA，波譜形式可根據規范推薦選用Jonswap 譜，形狀參數設置為2.4。

5 結語

本文采用3 種設計波方法，設計了8 組特殊波浪環境，并以實際半潛式平臺分別計算了設計波參數。將計算結果對比分析，其結論對于半潛式鉆井平臺關鍵節點結構設計及強度疲勞等分析具有一定的指導意義。根據本文結論，在半潛式鉆井平臺結構設計初期推薦采用隨機性設計波法進行整體設計，在局部節點設計或校核時推薦采用更符合實際環境條件的長期預報法。從經濟性上考慮，長期預報法中波浪散布圖的選取應盡可能地與實際波浪環境對應。