深水半潛平臺的環境載荷分析

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(中船重工船舶設計研究中心有限公司，北京 100081)

深水半潛式鉆井平臺在作業海域中時刻受到風、浪、流等環境載荷的作用，尤其在惡劣海況條件下，有可能造成系泊系統的破壞。因此應根據目標海域環境條件，分析平臺環境載荷的作用，并評估平臺的運動響應。本文所討論的平臺為工作在我國南海水域的半潛平臺，工作水深1 500 m，最大鉆井深度為10 000 m。

1 目標平臺的環境載荷計算

風速是脈動的，一天之中風速變化很大，需取某一時距的平均風速[1]。由于所取的時距長短不同，風速的名稱也不同。常用的有陣風風速、持續風速、穩定風速等，各國船級社的平臺規范中也都有各自的規定。中國船級社(CCS)規定，時距1 min的設計風速用于局部構件的基本風壓計算；時距10 min的設計風速用于總體結構基本風壓計算。穩定風速一般取時距1 h的平均風速[2]。

作用在移動式平臺和系泊的海流作用的輸入條件通常用流速和流剖面表示。

波浪載荷的計算常采用設計波法和波譜法。活動式平臺是海上的孤立式結構物，它的支撐結構(支柱、樁腿、撐桿等)和基礎結構均受到波浪力的作用。同時波浪載荷對平臺結構和整體穩性影響很大，在計算時應考慮波高、周期、入射方向、波峰與平臺的相對位置等因素。

綜合對南海環境資料的統計和分析，最終確定目標半潛平臺的風、浪、流環境輸入條件，采用100年一遇南海有臺風條件作為生存工況，1年一遇南海風暴條件為作業工況，見表1。

表1 確定的環境輸入條件

注：H1/3為有效波高；TP為譜峰周期;TZ為過零周期

2 目標平臺的風載荷計算

風載荷對活動式平臺的結構強度、漂浮穩性和著底穩性影響較大，而且由于活動式平臺的定位方向是可變的，因此，平臺定位時也應考慮風向。活動式平臺在設計和使用中不僅要考慮風速，還要考慮強風向和常風向。移動式平臺的海上定位方向是可變的，因此根據不同季節的工作海區強風向和常風向的變化合理地確定平臺的定位方向，以減少平臺所受的風力。CCS《海上移動平臺入級與建造規范》規定，風載荷主要作用于平臺的上層建筑及水面以上的主體部分，與受風面積、受風構件形狀、受風構件高度、風速等因素有關。所以，考慮通過平均風速與陣風譜來描述其對平臺系泊狀態下的平均位移及最大位移的影響。

風載荷主要作用于上部模塊及平臺位于水線面以上的部分。水平風載荷的計算方法如下。

(1)

式中：p——風壓力，kN；

vk——設計風速，m/s；

S——平臺在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積，m2；

Ch、Cs——受風構件的高度及形狀系數;

f=0.613。

根據公式(1)目標平臺自存工況和作業工況，各方向的風載荷比較見圖1。

圖1 不同工業目標平臺的風載荷比較

3 目標平臺的流載荷計算

海流有風海流、波浪流、潮流等，海流的流速隨時間的變化是緩慢的，在平臺設計中為簡化計算，常將它們看成是穩定的流動，并認為它們對結構物的作用僅為拖曳力，目標半潛平臺受拖曳力結構見圖2。

圖2 目標半潛平臺受拖曳力的結構

當只考慮海流作用時，作用于平臺水下部分的海流載荷F為

(2)

式中：CD——曳力系數；

ρw——海水密度，kg/m3；

v——設計海流流速，m/s；

A——構件與流速垂直平面上的投影面積，m2。

目標半潛平臺中，平臺主體及系泊系統都將受到海流的作用，其中平臺主體尺寸較大，受到的流載荷也較大，采用繞射理論計算波浪載荷，同時旁通和下浮體結構也受到粘性力的作用，因此其海流載荷將由式(2)進行計算，根據式(2)及流速可以得到目標平臺流力系數。

根據式(2)計算0°～360°(間隔為45°)海流方向的流載荷，結果見圖3。

圖3 目標平臺方向的流載荷

4 目標平臺的波浪載荷計算

目標平臺在規則波浪場中承受波浪載荷作用時，波浪載荷的作用使其在波浪場中作振蕩運動。對于一個在波浪場中微幅運動的大尺度結構物來說，波浪載荷對結構的作用可以分解為繞射作用和輻射作用兩部分。半潛式鉆井平臺承受的波浪載荷為波浪繞射載荷和輻射載荷的疊加[3]。應用三維勢流理論，以挪威船級社(DNV)的SESAM 程序計算作用在浮體表面上的波浪載荷，再利用SESAM水動力分析模塊WADAM 進行波浪載荷計算。對于半潛式鉆井平臺，若下浮體采用圓柱橫撐連接，則平臺可看作小尺寸結構物；對于小尺寸結構物，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公式計算。

平臺自存工況吃水16 m和作業工況吃水19 m中時所受的波浪載荷傳遞函數分析結果通過DNV的SESAM軟件計算獲得，波浪方向為東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個方向。

波浪載荷作用下浮體的運動幅值符合Rayleigh分布，其概率密度函數為

(3)

式中：x——變量；

σ2——方差。

(4)

(5)

有義值R1/3為

PHC臨床發病率與病死率均較高，其中男性發病率高于女性，且發病率隨著年齡的升高而逐漸升高。多數PHC患者均存在慢性肝病史，多數肝硬化患者病情嚴重最終導致PHC。目前臨床上診斷PHC手段較多，其中肝組織穿刺活檢準確性較高，但具有創傷性，會導致肝臟出血、患者身體不適，B超、CT等影像學檢查具有無創性，而檢測結果需要經驗豐富的醫師進行判定，且結果容易受到個人主觀因素影響，因此醫師需要有較高的技術水平才能夠保證檢測的準確性［8］。

(6)

此外，可進一步求得短期響應的最大值。短期響應最大值與有義值的關系為

(7)

式中，n——改變量的短期循環次數。

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

式中，m0,m2——響應譜的零階距和二階距，

利用已得到的目標平臺的波浪載荷響應傳遞函數，結合目標海域海況資料確定的海浪譜，從而得到平臺不規則波中短期波浪載荷響應。目標平臺運動響應短期預報最大值見表2。

表2 目標平臺波浪載荷短期預報最大值

可以看出，目標平臺一階波浪力無論是在自存工況還是在作業工況下，垂蕩運動、艏搖運動和縱蕩運動產生的波浪力對目標平臺影響最大。

5 結論

2) 目標平臺的流載荷有風海流、波浪流、潮流等。海流的流速隨時間的變化是緩慢的，在平臺的設計中為簡化計算，常將它們看成是穩定的流動，并認為它們對結構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工況下，垂蕩運動、艏搖運動和縱蕩運動產生的波浪力對目標平臺影響最大。

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

5) 從計算結果來看，風載荷、流載荷和波浪載荷對平臺的影響數量級相近，因此以上3個載荷對目標平臺的影響都是不可忽視的。

[1] 潘 斌.移動式平臺設計[M].上海:上海交通大學出版社，1996.

[2] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[3] 竺艷蓉.海洋工程波浪力學[M].天津:天津大學出版社，1995.