海洋核動力平臺水動力性能試驗分析

孔凡富，余 曼，李天鷂，鄭亞雄，董海防，周友明，劉克勤

(武漢第二船舶設計研究所， 武漢 430064)

1 引言

海洋核動力平臺是搭載有核動力裝置的非自航式浮式平臺，由外轉塔軟剛臂系泊系統長期定位于渤海海域，可為周圍采油平臺和島礁提供電力和淡水[1-2]。平臺以渤海明珠號為母型，在設計過程中為校核船體和系泊系統的安全性需要開展水動力性能試驗。

與其他同類型船舶相比，平臺在研制過程中有諸多要求，包括：① 船體搖擺限定值要求。船體作為核設施的外部包絡，為保證核設施的正常運行和停堆安全，船體在作業工況下的橫搖極值不得超過22.5°、縱搖極值不得超過10°，自存工況下的橫搖極值不得超過45°、縱搖極值不得超過15°。② 船體線加速度限定值要求。為減少核設施承受的沖擊載荷，船體在任何工況下的線加速度都不得超過2g，尤其是反應堆艙處。③ 船體不傾覆要求。船體傾覆會直接影響對堆內核燃料的反應性控制，以及對堆內核燃料和乏池中乏燃料的余熱導出，進而影響核安全，船體在任何工況下都不得發生傾覆事故。④ 基于系泊系統環境條件設計基準，系泊系統能夠承受約6 MN的載荷。因此在水動力性能試驗中，需要側重船體響應和系泊系統載荷的安全性。

參考渤海明珠號和國外同類型船舶[3]，對平臺開展驗證性水動力性能試驗，校核船體搖擺、線加速度、抗傾覆能力是否滿足限定值要求，以及系泊系統載荷是否在設計載荷范圍內并保證足夠的安全裕量，同時針對試驗中出現的問題進行重點分析。

2 試驗條件與模型

2.1 環境條件與試驗工況

在平臺預研階段，初步確定以作業海域重現期100年、500年和10 000年對應的風、波浪和流疊加作為平臺的設計基準，分別對應作業工況、系泊設計工況和自存工況。基于作業海域環境條件監測數據[4]，對不同工況對應的風、波浪和流參數進行長期預報，有關數據如表1所示，其中系泊設計工況包含時距1 min和1 h平均風速，分別用于定常風和NPD風譜。

表1 環境條件設計基準

依據標準規范對風浪流方向組合的規定，以及作業海域常見風浪流方向組合[5]，同時參考國內外同類型船舶水動力性能試驗，并考慮到系泊系統對于定常風和風譜的敏感性，對平臺的試驗工況安排如表2～表4所示。

表2 作業工況

表3 系泊設計工況

表4 自存工況

2.2 試驗條件與模型

水動力性能試驗在海洋工程水池開展，水池主尺度 50 m×30 m×6 m，具備模擬風浪流等各種海洋環境條件的能力，是我國技術功能比較完備的水池，如圖1。

平臺整體主要包括船體和外轉塔軟剛臂系泊系統兩部分，此外還有舭龍骨、尾部推進器和跨接纜等，如圖2。

圖2 平臺試驗模型圖

依據船型論證和艙室總布置，平臺排水量約為 33 000 t。與作業于渤海海域的同類型船舶相比，平臺的排水量約為渤海友誼號的1/2、長青號的1/2、明珠號的3/7、世紀號的1/6，說明平臺的排水量和主尺度都非常小[6]。

平臺在水池中的布置和風浪流方向規定如圖3所示，分別由可移動式軸流風機、雙推板大功率液壓造波機、高壓噴水造流系統模擬風、波浪和流條件，包括定常風和NPD風譜。在造波機對岸設有消波灘，用于吸收波能而防止產生反射波，以及通過可升降假底調節水深[7]。

圖3 水池與平臺布置示意圖

平臺試驗設計滿足幾何相似、傅汝德相似條件，由于在海工水動力試驗中，幾乎不可能做到模型和實船兩者雷諾數相等，因此模型試驗中產生的粘性力系數、浮體的粘性橫搖阻尼可能產生尺度效應。在試驗前，開展實船粘性系數的理論計算。通過靜水試驗，獲得模型粘性系數測量值，并與理論值進行對比，以達到試驗驗證目的。如測量得到的值與所要求的的理論值一致，則可繼續開展試驗；如不符合，則分析原因，重新調整，以此避免尺度效應對風浪流試驗的影響。

3 試驗結果

3.1 靜水衰減試驗和系泊剛度試驗

在作業工況和系泊設計工況下，船體處于軟剛臂系泊狀態，而在自存工況下，船體處于自由狀態，因此需要分別針對2種狀態進行船體靜水衰減試驗，結果如表5所示。

表5 運動周期和無因次阻尼

通過調整船體在縱向和橫向上的偏移距離，可以得到系泊系統的靜態回復力[8]，并與理論值對比，其剛度曲線如圖4和圖5。

圖4 縱向剛度曲線

圖5 橫向剛度曲線

由結果可知，試驗測量得到的縱向和橫向剛度曲線都與理論值吻合良好，說明模型的精確性滿足試驗要求。

3.2 風浪流試驗

3.2.1船體運動響應

在作業工況下，船體運動響應如圖6。由圖6(a)和圖6(c)可知，垂蕩和縱搖運動總體平穩，受風向和流向的影響不大，且都在工況3時極值最大。由圖6(b)和圖6(d)可知，橫搖和艏搖運動存在關聯且都受流向影響很大，在工況2和工況5時流向均為90°，此時橫搖和艏搖極值最大。

圖6 作業工況船體運動響應直方圖

在系泊設計工況下，船體運動響應如圖7。通過對比可知，船體運動響應對定常風和風譜、波浪譜隨機種子、平均周期T1、半流的改變不敏感。風向和流向對四自由度運動的影響與作業工況相同，尤其當流向為90°時，橫搖和艏搖運動的極值都非常大。在工況5和工況16時，方向組合都為風180°浪150°流90°，橫搖和艏搖運動極值都最大。

在自存工況下，船體運動響應如圖8。與工況24和工況25式的流向135°時相比，工況23和工況26流向90°時垂蕩和縱蕩運動極值增大明顯，說明與作業工況和系泊設計工況相比，自存工況下垂蕩和縱搖運動受流向影響更大。同時與作業工況和系泊設計工況相同，橫搖和艏搖運動受流向影響同樣很大。

3.2.2船體加速度響應

在全船布置4個加速度測量點，其中測量點1、2、4分別位于在船艏、船中和船艉，而測量點3位于反應堆艙處。在3種工況下的船體加速度響應如圖9。由對比可知，船艏和船艉的加速度都是最大，而船中和反應堆艙處則最小。

3.2.3系泊系統載荷

在作業工況和系泊設計工況下，固定塔架水平力和系泊腿軸向力的大小分別如圖10和圖11所示。除90°橫流工況外，在作業工況和系泊設計工況下，固定塔架水平力的極值分別穩定在2.0～2.6 MN和2.9～5.0 MN范圍內，說明固定塔架受力平穩。但在90°橫流工況下，在作業工況和系泊設計工況下，固定塔架水平力分別出現了14 MN和28 MN的極值。

除90°橫流工況外，在作業工況和系泊設計工況下，系泊腿軸向力的極值分別穩定在2.3～2.9 MN和2.8～4.1 MN范圍內，說明系泊腿受力平穩。但在90°橫流工況下，在作業工況和系泊設計工況下，系泊腿軸向力分別出現了11.0 MN和27.6 MN的極值。

圖7 系泊設計工況船體運動響應直方圖

圖8 自存工況船體運動響應直方圖

圖9 船體加速度響應直方圖

圖10 固定塔架水平力的大小直方圖

圖11 系泊腿軸向力的大小直方圖

4 安全性校核與問題分析

基于水動力性能試驗結果，從船體運動響應、船體線加速度響應、系泊系統載荷和抗傾覆能力四方面校核平臺的安全性。

1) 由2.3.1節可知，在作業工況下，船體橫搖和縱搖運動的最大值分別為8.0°和4.6°，在自存工況下，船體橫搖和縱搖運動的最大值分別為10.7°和6.9°，遠小于船體搖擺限定值要求。

2) 由2.3.2節可知，在作業工況下，船體線加速度在3個分量上的最大值分別為0.8 m/s2、2.6 m/s2、2.9 m/s2，在自存工況下，船體線加速度在3個分量上的最大值分別為1.3 m/s2、4.0 m/s2、3.9 m/s2，遠小于船體線加速度限定值要求。

3) 由2.3.3節可知，除90°橫流工況外，在作業工況和系泊設計工況下的固定塔架水平力力和系泊腿軸向力都在系泊系統設計載荷范圍內。但在90°橫流工況下，則出現了遠大于系泊系統設計載荷的情況，說明通過水動力性能試驗結果的校核，現階段系泊系統的設計存在問題。

4) 由2.3.1節可知，在3種工況下，船體橫搖運動最大值為10.7°，遠小于船體靜穩性曲線中的穩性消失角，說明船體具有足夠的回復力矩使船體回復到正常姿態，更不會因為穩性喪失而發生傾覆。

綜上所述，在船體運動響應、線加速度響應和抗傾覆能力方面，平臺的安全性滿足要求，并且具有充足的安全裕量，但系泊系統載荷校核無法滿足要求。

以工況11為例，通過對固定塔架水平力分量和系泊腿軸向力時歷曲線分析可知，在對應實船的3h內，絕大部分時間內系泊系統載荷都十分平均，只在幾個時間點上出現了突變。在4 127 s，波高時歷曲線中出現了一個9.22 m波峰，是整個波高時歷曲線中峰值和谷值最大的。在4 132 s，固定塔架水平力X分量的時歷曲線出現7.4 MN的突變，左舷和右舷系泊腿軸向力的時歷曲線分別出現3.0 MN和4.9 MN的突變，說明某一極端波高的出現導致了固定塔架和系泊腿載荷的瞬間增大。

由分析可知，當船體艏搖運動大于45°時，固定塔架和系泊腿都有可能承受瞬時沖擊載荷，主要由于船體在大角度斜浪狀態下，左右舷的系泊剛臂運動不一致，導致系泊腿出現瞬時張緊，如圖12所示。參考國內外軟剛臂系泊系統設計經驗，在環境條件設計基準和船體主尺度保持不變的情況下，提高系泊系統的剛度成為主要的解決方法，措施是增加軟剛臂壓載重量。

圖12 張緊時刻的系泊腿示意圖

5 結論

1) 船體橫搖和艏搖運動受流向的影響很大，流向越趨于90°橫向，橫搖和艏搖運動也就越大。

2) 與船艏和船艉相比，船中線加速度最小，為保證核設施的安全運行，應將核設施布置在船中附近。

3) 固定塔架水平力和系泊腿軸向力都有突變點，主要由于系泊腿會出現瞬時張緊，經過分析初步確定增大系泊系統的剛度可減少瞬時張緊。

4) 基于設計工況下的橫搖極值，船體具有很強的抗傾覆能力和充足的安全裕量，可保證船體能夠回復正浮姿態而不發生核事故。

5)在指定環境條件設計基準下，船體運動響應、船體線加速度響應、抗傾覆能力都符合設計要求，但在水動力性能試驗校驗時，系泊系統載荷出現瞬時超設計基準的情況，主要原因在于環境條件設計基準較高、船體主尺度與軟剛臂系泊系統不匹配、軟剛臂縱向和橫向剛度曲線斜率偏小。