自升式鉆井平臺風載荷研究

譚 美，馮 軍，熊 飛

（中集船舶海洋工程設計研究院，上海 201206）

0 引 言

目前國內外海洋移動式平臺的穩性衡準都采用“氣象衡準”，即把平臺在海上所受的載荷僅用風載荷表現出來，而將波浪對平臺的影響以及其他因素考慮在穩性衡準數中，這樣風載荷的確定對海洋移動式鉆井平臺的安全性和經濟性都有重要影響[1]。目前船級社規范給出的風載荷計算公式，均明確了風載荷與風速的關系，但平臺外形構件之間的遮蔽效應復雜，形狀系數和升力作用等影響，造成按規范計算的結果比實際值偏大。國內外開展了大量的相關研究，以期獲得更準確的風載。

風洞試驗是公認的移動式鉆井平臺風載荷設計方法，但對自升式鉆井平臺，這方面的工作還比較少。CFD數值模擬理論上可以彌補風洞試驗的經濟成本，但出于目前計算機硬件設施方面限制因素，國內外幾乎沒有對全自升式平臺的完整模擬[1～6]。本文基于中集集團（CIMC）自主研發設計的自升式鉆井平臺ZJ400，對該類平臺風載荷進行了全面和深入的研究。

1 ZJ400平臺特點及風況選擇

1.1 平臺特點

ZJ400為國際最新一代自升式鉆井平臺，平臺船型為三角形船體，采用3個三角形桁架樁腿及齒輪齒條式升降系統，每個樁腿由下端的樁靴支撐，液壓驅動式懸臂梁，其主要參數為：

船長70.4m，型寬74.2m，型深9.4m，樁腿全長166.98m，樁腿軸間距橫向49.2m、縱向46.2m，井架高51.8m，最大工作水深122m，最大鉆井深度9144m，設計吃水6.4m，最低設計溫度–20℃，可攜帶船員120人。

1.2 工況條件

ZJ400的設計工況如表1所示。

表1 設計工況

本文選取平臺最危險的一組自存工況進行研究：水深 122m，最大風速 51.44m，氣隙12.19m，懸臂梁處于收回狀態。

2 風載荷規范計算

2.1 規范計算方法

目前，主要船級社規范給出的風載荷計算公式如下[6]:

式中：Cf——風壓系數，船級社之間有所區別，ABS船級社取0.611；

Ch——暴露在風中平臺構件的高度系數，其值可根據構件形心至設計水面的垂直距離按規范確定；

Cs——構件的形狀系數，其值根據規范值確定；

S——平臺受風構件在迎風向的投影面積；

Vw——設計風速。為了便于計算，作如下假定：

1.5 評估方法 觀察比較患者在臨床藥師干預前，干預后3個月，6個月貧血的臨床療效，并記錄干預期間藥物不良反應發生情況。并對患者的達標率進行計算比較。此外，研究組患者采用問卷調查方式評價患者對維持性血液透析貧血相關知識的掌握程度，患者臨床藥師監護前和臨床藥師監護6個月后以相同試題進行測試并給予評分，為避免人為因素對結果的干擾，臨床藥師親自監督患者完成答題。每份試卷10題，每題1分，滿分10分，其中＜6分為不合格，＞6分為合格。

1) 任一受風構件的風力與風向一致；

2) 風力作用在受風構件的風向投影面積的形心上；

3) 在受風時, 不考慮立柱或者其他結構之間的相互遮蔽作用；

4) 平臺水上部分所受的風力與平臺水下部分的水阻力相平衡；

5) 上述力產生的力偶矩只能使平臺傾側而不計平臺繞Z軸旋轉的影響；

6) 假定水下阻力中心即為平臺水下部分在風速相反方向上的投影面積的形心。

在上述基礎上, 就可以計算平臺在不同風向角及相應各傾斜角風傾力矩橫截曲線。

2.2 規范計算結果

ZJ400平臺設計規范計算模型與實際平臺略有差別，計算模型將實際平臺的細小結構及對風載影響不大的構件略去，主船體簡化為箱體，忽略甲板上設備與細結構的影響，如圖1所示。本文設定整體坐標系原點位于平臺艏部外底面，x軸向后為正，y軸向右為正，z軸向上為正；風向角為入射風向與x軸的夾角。由于可以認為平臺關于x軸對稱，計算范圍為順時針0～180o，每隔30o記錄平臺風載數據，計算結果見圖2。除另有指明外，本文所述坐標系及其風向角、計算范圍均與本節一致。

3 CFD數值模擬

用CFD方法計算ZJ400自升式鉆井平臺整體所受風載荷情況及其各局部結構的單獨受風載荷情況，依據整體和局部模型風載荷模擬結果進行平臺遮蔽效應分析。

圖1 規范計算模型

圖2 規范計算風載荷

3.1 控制方程與湍流模型

由于平臺各局部構件為鈍體，其擾流問題的控制方程為黏性不可壓N-S方程，基于雷諾平均的控制方程可表示為：

式（2）、（3）中：空氣密度ρ=1.225kg/m3，動力黏性系數μ=1.7894×105kg/(m?s)。

控制方程采用標準κε-湍流模型，近壁面條件采用標準壁面方程；應用有限體積法離散控制方程；離散方程與湍流度均采用二階迎風格式；壓力–速度耦合采用SIMPLE算法。標準κε-湍流模型可寫為：

式(4)、(5)、(6)中：cμ,σk,σε,cε1,cε2為經驗常數，Pk為浮力和重力引起的湍動能項，式中各項的具體計算公式見參考文獻[8,9]。

3.2 邊界條件設定

1) 入口邊界采用速度入口，風速v大小沿高度z分布函數取為：

2) 出口邊界采用壓力出口；

3) 流域頂部、底部和兩側采用無滑移壁面條件；

4) 壁面采用無滑移壁面條件。

3.3 局部模型風載荷

基于平臺的組成特征，分別對主船體、懸臂梁、井架、擋風墻樁腿和吊機等主要構件單獨進行局部風載荷模擬，表2為局部構件模擬結果。

表2 局部風載荷

3.4 整體模型風載荷

與單獨的局部模擬不同，整體計算時結構之間存在干擾作用，使得流場和壓力場產生變化，導致結構受風面壓力分布不同，圖3為整體與局部模型水平風速矢量對比圖，圖4為整體計算模型與按局部單獨計算求和所得結果的對比。

圖3 整體與局部模型水平風速矢量對比圖

圖4 整體與局部模擬風載荷對比圖

3.5 CFD遮蔽效應分析

根據上面的比較結果可以看出，平臺整體受力遮蔽效應在20%～40%之間，在0～90o之間遮蔽效應較小，在90～180o之間遮蔽效應較大。整體模型結果與局部模型結果之間的較大差異，一方面來自于結構之間的遮蔽效應，另一方面是局部計算中加入了結構之間交界面的受力，而在整體模型計算中這些交界面不受風載荷，從而使得局部模型結果偏大。因此，設計時對平臺風載荷遮蔽效應的考慮有著重大意義。

4 平臺風洞試驗

為更準確可靠的獲得ZJ400平臺設計的風載荷數據，Rowan Williams Davies & Irwin工程顧問公司（RWDI）受中集船舶海洋工程設計研究院委托，對該項目進行了風洞試驗研究。

4.1 試驗模型

平臺試驗模型與數值計算模型及實際平臺在外形上保持幾何相似，采用木質材料制作，模型縮尺比為1:200。模型試驗在RWDI的2.4m×2.0m邊界層風洞中進行，分別對平臺作業工況，風暴自存工況和拖航工況進行試驗，選取其自存工況試驗結果與其他幾種風載計算方法進行比較研究。為了研究風載荷遮蔽效應，除對平臺整體試驗外，還對井架、主船體與懸臂梁、樁腿等分別進行了單獨的風洞試驗，以確定這些部件上風載荷靜力系數。

由風載荷的空氣動力學分析表明，為了使模型試驗反映實際結構的受力情況，應當保證模型與實際結構的雷諾數一致，但建筑的邊界層風洞試驗一般無法滿足雷諾數的相似性要求[10]。對有尖銳棱角的結構構件的風載荷，雷諾數的影響在很大范圍內是不明顯的，只有對圓柱形或圓弧角構件，才可能存在較明顯的雷諾數影響[11]。對自升式鉆井平臺，絕大多數構件具有尖銳棱角，雷諾數影響主要反映在樁腿的水平管和撐桿部分。在風暴自存狀態下，暴露于風場的樁腿較短，因此雷諾數的影響可以忽略。

4.2 試驗風速與風向

對自升式鉆井平臺的周圍風場是通過在風洞工作段前方設置適當的紊流發生裝置與地面粗糙元進行模擬，調整上述裝置的尺寸及相對距離，使風洞中模擬的平均風速剖面與紊亂剖面反映典型的海面情況，其中平均風速剖面指數為0.09，與ABS MODU規范風載荷計算中假設的風剖面一致。

4.3 試驗結果

坐標系和風向角的定義與上文一致，平臺關于x軸對稱，試驗時每隔30o記錄平臺模型測點的風壓時程數據。模型采樣頻率為100Hz，采樣長度為60s，相對實際尺度為45min，對于平均風載荷的測試，已經足夠。自存工況下試驗模型和結果如圖5、6所示。

圖5 模型風洞試驗

圖6 風洞試驗風載荷

5 土木工程方法

5.1 基本原理

基于土木工程對建筑物結構風載荷遮蔽效應的處理方法，即對下風向有相互遮蔽的結構引入一個角度為7°的楔角，同時修正風向與受風面的攻角對載荷的影響。該方法的基本原理和過程與規范計算類似，為便于計算處理，取7o的楔角來進行遮蔽效應修正，計算模型如圖7所示，風載荷計算公式如下：式(8)中：θ為入射風向與構件受風面水平夾角，其他符號定義與公式(1)一致。

對海洋鉆井平臺有關風載荷的研究表明, 遮蔽效應及形狀系數對計算結果的影響顯著[12]。與船級社規范計算公式(1)比較可知，式(8)增加了2sinθ項，所以該方法是在規范計算方法的基礎上對遮蔽效應和形狀系數均有修正，體現在取7o的遮蔽修正楔角和攻角變化對形狀系數的修正兩個方面。

5.2 計算結果

按照此方法對ZJ400平臺的風載荷進行了詳細的計算，結果如圖8所示。

圖7 規范改進法計算模型

圖8 規范改進法計算風載荷

6 風載荷結果分析

通過多種風載荷計算方法和風洞試驗研究，可以較清楚地看出自升式鉆井平臺風載荷隨風向角的變化特征，以及各種方法之間存在的差異。總結0～180o風向角ZJ400平臺風載荷ABS船級社規范計算、CFD數值模擬、風洞試驗和規范改進型方法計算結果如圖9所示。

可見，平臺最危險的工況發生在60o風向角，風洞試驗、土木工程方法和 CFD數值模擬所獲得的風載隨風向變化趨勢一致，土木工程方法計算值處于其他兩種方法的折中地位。規范計算風載在整個風向范圍內是一種偏于安全的考慮，在90～180o入射風向范圍有明顯的遮蔽效應。若以風洞試驗作為風載比較標準，規范計算、CFD模擬和土木工程方法載荷值比試驗值大45%、17%和10%，如表3所示。

圖9 ZJ400風載荷結果對比圖

表3 風載荷差異度 %

由上述分析可知，土木工程方法對自升式鉆井平臺風載荷計算具有較高的參考價值。

7 結 語

本文通過分析ZJ400平臺風載荷計算方法及試驗研究，明確了自升式鉆井平臺風載荷隨風向角變化的規律及遮蔽效應程度。創新性地引入土木工程風載荷計算方法，通過風洞試驗及多種方法論證證實：土木工程風載荷計算方法對于自升式鉆井平臺風載荷計算具有參考價值。

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