半潛式平臺整體結構設計的波浪載荷研究＊

李紅濤 鄧賢鋒

（中國船級社海洋工程技術中心 天津 300457）

半潛式平臺整體結構設計的波浪載荷研究＊

李紅濤 鄧賢鋒

（中國船級社海洋工程技術中心 天津 300457）

在深入研究設計波方法的基礎上，提出了適合于半潛式平臺整體結構設計的確定性設計波法、隨機性設計波法和長期預報設計波法，并結合DNV規范提出的6個特征載荷工況給出了半潛式平臺整體結構設計的波浪載荷具體計算方法及流程。以實際半潛式平臺為例，根據其作業海域，將3種設計波方法應用于波浪載荷計算，并進行了對比分析。結果表明，本文提出的方法可為半潛式平臺的波浪載荷計算提供參考，對半潛式平臺的整體結構設計具有一定的指導意義。

半潛式平臺；波浪載荷；確定性設計波法；隨機性設計波法；長期預報設計波法

作為一種重要的海上移動式平臺，半潛式平臺具有運動性能良好、適應較惡劣的海況條件、工作水深大、可變載荷高等顯著優點，已經成為深海油氣開發的主要裝備［1］。在進行半潛式平臺整體結構設計時，需要考慮的主要環境載荷為波浪載荷，風載荷和流載荷可忽略不計。半潛式平臺處于隨機海浪作用下，波浪載荷具有隨機性和復雜動力性，難以精確計算，因此選取合理可行的方法計算平臺波浪載荷對半潛式平臺整體結構設計至關重要［2］。本文提出了適合于半潛式平臺整體結構設計的3種設計波方法，即確定性設計波法、隨機性設計波法和長期預報設計波法，結合DNV規范給出的6個特征載荷工況給出了半潛式平臺整體結構設計的波浪載荷具體計算方法及流程；以一個實際半潛式平臺為例，根據其作業海域，將3種設計波方法應用于波浪載荷計算，并進行了對比分析，結果表明本文提出的設計波計算方法可為半潛式平臺的波浪載荷計算提供參考，對半潛式平臺的整體結構設計具有一定的指導意義。

1 半潛式平臺特征載荷工況

根據DNV RP－C103建議［3］，半潛式平臺整體結構設計時應考慮波浪特征載荷工況，即根據平臺的實際構造特征選擇6種危險的波浪載荷工況（表1），各波浪特征載荷響應如圖1所示。

表1 半潛式平臺波浪特征載荷工況Table 1 Wave characteristic load condition of semi－submersible platform

圖1 半潛式平臺波浪特征載荷響應Fig.1 Wave characteristic load responses of semi－submersible platform

2 波陡計算方法

2.1 規則波波陡

規則波波陡S按如下公式［3］計算：

式（1）中：H為規則波高；T為規則波周期。DNV規范中提出的百年一遇規則波波陡S的計算公式為

式（2）中：H100為百年一遇最大規則波高，全球海況的H100＝32 m［3］。

2.2 不規則波波陡

不規則波也就是隨機波，一般用短期海況（Hs，Tz）為代表參數的波譜進行描述。對于半潛式平臺的結構極限強度設計，波譜形式一般采用JONSWAP波譜，其表達形式可參見文獻［4］。DNV規范中，不規則波波陡Ss的計算公式為［3］

式（3）中：Hs為有義波高（DNV推薦的全球海域100年重現期的最大有義波高Hs＝17.3 m）；Tz為平均跨零周期。DNV規范中提出的百年一遇不規則波波陡Ss的計算公式為［3］

3 設計波方法具體步驟

所謂設計波，一般是指依據波浪載荷等效的原則并按照某種波浪理論構造的規則波列。通過對波高、周期、波浪入射角以及波浪相位角的組合搜索使結構物處于最不利狀態且達到一定回復期的最大載荷，從而得到相應的設計波參數［2］。對于半潛式平臺設計波浪載荷的重現期，一般不低于100年［3］。本文對設計波方法進行了深入的研究，并明確給出了確定性設計波法、隨機性設計波法和長期預報設計波法的具體計算方法和步驟。

3.1 確定性設計波法

確定性設計波法主要基于表1規定的半潛式平臺的特征載荷工況，利用最大規則波波陡構造出相應的設計規則波高和周期。具體步驟如下：

1）根據半潛式平臺的外形尺寸及表1中規定的特征載荷工況，確定6個特征載荷工況的關鍵波浪入射方向和波長（周期）；

2）計算6個特征載荷工況的響應幅值算子（RAO），規則波周期范圍為3～25 s，在峰值周圍周期應以0.2～0.5 s為步長，遠離峰值周期以1～2 s為步長；

3）在規則波浪周期3～15 s區間范圍［5］內，以1 s為步長，根據式（2）給出的波陡值，通過式（1）計算生成一系列規則波（H，T），H一般不超過百年一遇最大規則波波高H100；

4）由上述（3）得到的規則波波高H分別乘以對應周期下的RAO，得到響應的特征載荷響應；

5）特征載荷最大響應值對應的規則波（H，T）即為設計波波高和周期，波浪入射角和相位角由對應的最大RAO確定。

3.2 隨機性設計波法

隨機性設計波法應用不規則波譜進行特征載荷的預報，也稱之為譜分析方法。具體步驟如下：

1）根據半潛式平臺的外形尺寸及表1中規定的特征載荷工況，確定6個特征載荷工況的關鍵波浪入射方向和波長（周期）；

2）計算6個特征載荷工況的RAO，規則波周期范圍為3～25 s，峰值周圍周期應以0.2～0.5 s為步長，遠離峰值周期以1～2 s為步長；

3）在不規則波浪周期3～18 s區間范圍內，以1 s為步長，根據式（4）給出的波陡值，通過式（3）計算生成一系列不規則波（Hs，Tz），Hs一般不超過百年一遇最大有義波高，此不規則波波譜一般采用JONSWAP波譜；

4）應用上述（2）、（3）得到的RAO及波浪譜，計算得到如下的響應譜：

式（5）中：Sw（ω）為波浪譜。因此，某一短期海況下載荷響應的最大可能值Rmax可由下式求得：

5）設計波波幅AD由i個短期海況預報的（Rmax）i的最大值R′max與單位波幅最大響應RAOC比值得到

式（7）中：LF為載荷系數，一般取值在1.1～1.3之間［5］，本文取值1.1。最終，（H＝2AD，T）即為整體結構設計使用的設計規則波，此時T為RAO最大值對應的周期。

3.3 長期預報設計波法

長期預報設計波法是在假定各個短期海況載荷變量服從Rayleigh分布的基礎上，綜合考慮了各個短期海況本身的概率而得到的長期概率分布。長期預報認為各種不同海況組成的短期預報相互獨立，波浪特征載荷的長期分布是各短期概率分布的加權組合。具體步驟如下：

1）根據半潛式平臺的外形尺寸及表1規定的特征載荷工況，確定6個特征載荷工況的關鍵波浪入射方向和波長（周期）；

2）針對每一個特征載荷變量x，計算波浪散布圖中的每一短期海況下的Rayleigh概率分布，具體計算過程可參照隨機性設計波法中的步驟（4）；

3）計算每一個特征載荷變量x的長期概率分布，即波浪特征載荷變量x大于某一定值X0的超越概率，即

式（8）中：pi（Hs，Tz）為短期海況（Hs，Tz）出現的概率，一般由波浪散布圖得到；pj（β）為波浪入射角出現的概率。

對于波浪特征載荷的長期預報，也可以采用二參數的Weibull分布，即FL（x）＝1－exp（－x/q）h進行擬合，其中FL（x）為波浪特征載荷x的概率分布函數，q為尺度參數，h為形狀參數。

4）按照百年一遇的波浪載荷重現期，可以計算出重現期內循環次數N，從而得到具有1/N超越概率的波浪特征載荷值。

5）最大預報載荷值與RAO最大值的比值作為設計波波幅，周期與RAO最大值對應值相同，最終得到設計規則波（H，T）。

4 算例分析

4.1 平臺基本參數及計算條件

算例平臺為在南海作業的某半潛式鉆井平臺，設有2個下浮體，6根立柱，立柱間有橫向和斜向的撐管，立柱和撐管共同支撐主甲板；主甲板上設有鉆臺、井架、吊車等鉆井設備以及生活樓、直升機甲板等設施。該平臺的基本參數如表2所示。應用AQWA軟件預報水動力載荷和平臺運動響應，算例平臺的濕表面模型和質量模型如圖2、3所示。

表2 本文算例平臺基本參數Table 2 Basic parameters of the example platform

圖2 本文算例平臺濕表面模型Fig.2 Hydrodynamic panel model of the example platform

圖3 本文算例平臺質量模型Fig.3 Mass model of the example platform

4.2 波浪特征載荷RAO

計算表1所列波浪特征載荷RAO，浪向區間0°～180°，步長22.5°，周期取3～30 s，其中4～18 s之間間隔0.5 s，20～30 s之間間隔2 s。6個波浪特征載荷的RAO如圖4所示。

4.3 波浪輸入條件

對于確定性設計波法，規則波周期取3～20 s，以0.5 s為步長，由式（1）、（2）確定一系列輸入規則波，根據南海某半潛式鉆井平臺作業海域，百年一遇最大規則波波高為30.69 m；對于隨機性設計波法，不規則波浪周期取3～20 s，以0.5 s為步長，由式（3）、（4）確定一系列JONSWAP波譜，百年一遇最大有義波高為16.5 m；對于長期預報設計波法，波浪散布圖取自DNV推薦的全球海域統計的第62海域波浪散布圖（南海海域）［6］。

4.4 結果分析與討論

依據3種設計波方法分別對南海某半潛式鉆井平臺的波浪特征載荷進行了計算。表3為3種設計波方法下南海某半潛式鉆井平臺的特征載荷預報最大值，表4為3種設計波方法確定的南海某半潛式鉆井平臺最終設計波參數。

從表3、4數據可以看出：

1）確定性設計波法計算得到的設計波周期和波高一般都大于其他2種方法，因為在RAO的最大值附近，隨著周期增加，波高增大，從而確定性設計波法的波浪特征載荷也隨之增大；

2）從計算結果上看，確定性設計波法得到的波高大于隨機性設計波法的結果，隨機性設計波法結果大于長期預報的結果，這符合計算精度越大、計算值越小的趨勢；

3）確定性設計波法計算簡單，設計波波高也較大，偏于保守，適合設計初期的估算；隨機性設計波法和長期預報結果較為接近，從經濟性上考慮，工程上推薦使用隨機性設計波法；

圖4 本文算例平臺波浪特征載荷RAOFig.4 Wave characteristic load RAOs of the example platform

表3 不同設計波方法下本文算例平臺波浪特征載荷Table 3 Wave characteristic loads of the example platform for different design wave methods

表4 不同設計波方法確定的本文算例平臺設計波參數Table 4 Design wave parameters of the example platform for different design wave methods

4）波浪條件是計算最終波浪載荷大小的重要參數，因此設計半潛式平臺之初，應充分考慮平臺作業海域的環境條件，確定合適的波陡參數和最大波高，這是決定半潛式平臺整體結構設計的關鍵因素。

5 結束語

本文提出了適合于半潛式平臺結構設計的3種設計波方法，并以一個實際半潛式平臺為例，應用3種設計波方法計算了波浪載荷，其對比分析結論對于半潛式平臺整體結構設計具有一定的指導意義。需要注意的是，半潛式平臺的波浪載荷只是全部載荷的一部分，重力載荷、靜水載荷也是平臺載荷的重要組成部分［7］，在平臺整體結構設計時需要一并考慮。至于局部載荷，如液艙壓頭、局部甲板載荷、局部波浪抨擊等，需要在局部結構設計時詳細考慮。

［1］范模.深水半潛式生產平臺總體設計思路與應用前景［J］.中國海上油氣，2012，24（6）：54－57.

Fan Mo.The overall design solution and application foreground of semi－submersible production platform in deep sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2012，24（6）：54－57.

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［4］竺艷蓉.海洋工程波浪力學［M］.天津：天津大學出版社，1991：189.Zhu Yanrong.Ocean engineering wave mechanics［M］.Tianjin：Tianjin University Press，1991：189.

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［6］DNV.Environmental conditions and environmental loads［S］.DNV－RP－C205，2010：114.

［7］白艷彬.深水半潛式鉆井平臺總體強度分析及疲勞強度評估［D］.上海：上海交通大學，2009：15－25.Bai Yanbin.Study on global strength analysis and fatigue strength assessment for deep－water semi－submersible drilling unit［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2009：15－25.

Study on wave loads for global structural design of semi－submersibles

Li Hongtao Deng Xianfeng
（Offshore Engineering Technology Center of CCS，Tianjin300457，China）

Wave loads are the main type of environmental loads for a semi－submersible platform and the design wave method is usually used for global structural design.Three design wave methods，i.e.，the deterministic method，stochastic method and long－term forecasting method，are proposed for the global structural design of semi－submersibles.Moreover，based on the six characteristic load cases proposed by DNV specifications，the detailed wave load computation process is given for the design.Finally，as an example，the wave loads for a semi－submersible operating in actual sea area are calculated with the three different design wave methods.It is showed that the method proposed in this paper may be helpful to wave load calculation and of guidance on global structural design of semi－submersible platforms.

semi－submersible；wave load；deterministic design wave method；stochastic design wave method；long－term prediction design wave method

P752

A

2014－06－10改回日期：2014－11－03

（編輯：葉秋敏）

李紅濤，鄧賢鋒.半潛式平臺整體結構設計的波浪載荷研究［J］.中國海上油氣，2015，27（2）：98－103.

Li Hongtao，Deng Xianfeng.Study on wave loads for global structural design of semi－submersibles［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：98－103.

1673－1506（2015）02－0098－06

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.017

＊工信部深海半潛式鉆井平臺工程開發科研基金資助項目（工信部裝［2009］382號）部分研究成果。

李紅濤，男，教授級高級工程師，畢業于天津大學船舶與海洋工程專業，獲博士學位，現主要從事海洋工程結構物研究和審圖工作。地址：天津開發區南海路11號明珠園A座（郵編：300457）。電話：022－66216618。E－mail：htli＠ccs.org.cn。