自升式平臺波浪荷載計算方法的評述

李 曄(中國船級社海工技術中心, 天津 300457)

自升式平臺波浪荷載計算方法的評述

李 曄
(中國船級社海工技術中心, 天津 300457)

波浪荷載對自升式平臺的整體性能和作業能力有著明顯的影響，對自升式平臺所受波浪荷載進行合理分析可更加準確地評估平臺的整體性能，進而提高平臺的作業能力和作業效率。對此,通過比較ISO 19901-1,ISO 19905-1和SNAME中關于環境荷載系數的確定方法，給出合理、優化的選擇環境荷載系數的方法，為平臺性能評估中環境荷載的計算提供一定的參考。

自升式平臺;環境荷載;波浪運動系數;整體性能

海洋自升式平臺結構復雜、體積龐大、造價昂貴；同時，其所處的海洋環境十分復雜和惡劣，承受著風、海浪、海流、海冰和潮汐等多種隨時間和空間變化的環境載荷的影響。環境荷載的大小對自升式平臺的作業水深、樁靴能力、鎖緊能力和壓載能力等均有明顯影響，對平臺環境荷載的大小進行準確計算可有效評估平臺的作業能力和整體性能，避免平臺結構的冗余和浪費，同時保證平臺在作業條件和抗風暴條件下的安全性。

在SNAME T&R 5-5A公告[1]被收入到ISO 19905-1[2]的過程中，海洋環境荷載的計算方法發生了一些變化。這里就波浪運動系數對波浪荷載的影響進行敘述，并對所計算的海洋環境荷載進行對比;同時,結合實際算例闡述該系數的變化對平臺波浪荷載計算結果的影響。

1 波浪運動系數

通常短峰波產生的波浪荷載會小于按等效的長峰規則波計算得到的波浪荷載，而實際海況中通常都是短峰波，因此在ISO 19905生效前對如何合理有效地評估真實的波浪荷載進行大量研究。最終,ISO 19905規定通過采用合適的相關系數(即波浪運動系數)來提高波浪荷載的精確度。對于自升式平臺而言，這些系數主要與平臺的樁腿間距、波高、波長、波周期和水深有關，由此可得到比單樁近似理論更準確的平臺樁腿波浪荷載。

SNAME通過采用合適的高階波浪理論(如斯托克斯5階或合適的流函數)和水動力系數(如拖曳力系數Cd1.0)來確定典型粗糙構件上的準靜態波浪荷載。考慮短峰波浪海域的波浪傳播效應，SNAME的推薦做法是在計算確定性規則波的波浪力時，采用波浪運動系數0.86獲得真實的波浪荷載。采用該系數不僅考慮波浪的傳遞，而且可通過修改水動力系數考慮確定性規則波的傳遞，同時保證其具有足夠的保守性。SNAME還建議通過降低波高來考慮波浪運動系數的作用,這主要是因為20世紀90年代初期SNAME剛剛被采用，很多計算軟件都不支持輸入波浪運動系數。采用SNAME推薦的方法得到的波浪荷載與波高不折減、構件拖曳力系數為0.65～0.70得到的結果較接近。

在ISO 19901-1[3]中，用波浪運動系數φ反映波浪的傳遞，該系數與平臺所處緯度有關(見圖1)，主要用于計算單樁結構上的波浪荷載。自升式平臺均為多腿結構，且樁腿之間具有明顯的間隔，這種間隔對計算作用于平臺的波浪荷載是有利的。2000年，IADC自升式平臺委員會(IJUC)贊助了一個科研項目來研究準確計算熱帶風暴條件和溫帶條件下自升式平臺波浪荷載的方法，研究成果[4]與SNAME之前的結果存在一定偏差。隨后，該項工作發展成了由IADC和SHELL共同贊助的一個長期科研項目，用以研究更多類型的自升式平臺在更多環境條件下的環境荷載。目前的研究結果[5]表明:在熱帶風暴海域，環境荷載比之前理論上的計算值最多能減小35%；對于其他區域，最多能減小20%。

圖1 波浪運動系數與平臺所處緯度的關系

ISO 19905-1采用的是HOYLE提出的推薦做法，采用波浪運動系數,考慮平臺的結構特征、環境條件等各種不同的影響因素，并用一個復雜公式計算該系數κ。

(1)

式(1)中：φ為與緯度相關的波浪運動系數；Sy為最小的樁腿間距；L為按規則波理論計算的水深、最大波高和相應周期所對應的波長；Hmax為最大波高；d為水深。

在某些特殊條件下，由式(1)得到的κ值會過于保守，因此ISO 19905-1要求κ值不能超過φ值。為滿足該要求，對式(1)中的參數作以下限制。

0.08≤Sy/L≤0.43

(2)

0.14≤d/L≤0.76

(3)

0.07≤Hmax/d≤0.58

(4)

研究表明:短峰波浪海域采用ISO 19905-1中的波浪運動系數得到的環境荷載比采用SNAME的波高折減系數得到的環境荷載更逼近設計海況。

2 波浪荷載計算方法

目前，對于類似自升式平臺的海洋結構，由于波長與其直徑的比值(L/D)較大(>5)，因此其所受的波浪荷載均采用莫里森(Morison)方程進行求解。

(5)

按等效長峰波計算的波浪力小于短峰波產生的實際波浪荷載，因此需在所求波浪荷載的基礎上乘以波浪運動系數以提高平臺結構所受波浪荷載的精確度。ISO 19901-1，ISO 19905-1和SNAME對通過式(5)計算的波浪荷載所做的修正為

ISO 19901-1:F1=F×φ

ISO 19905-1:F2=F×κ

SNAME:F3=F(h′),即采用折減后的波高計算波浪力。

3 平臺波浪荷載實例計算

實例中的平臺為三腿自升式鉆井平臺，擬在東海進行作業。該區域的地理緯度為32°N，平臺樁腿間距為35.05 m，作業區水深為61 m，波高為17.37 m。周期為13.56 s，波長為268.68 m。

由圖1可得φ=0.867，平臺的參數(見表1)滿足式(2)～式(4)中的限制。由ISO 19905-1中系數κ的計算式可得波浪運動系數為0.783。

表1 鉆井平臺參數

對于確定性規則波的波浪力的計算，SNAME采用的是折減后的波高Hdet。Hdet與有效波高Hs的關系為Hdet=1.60Hs，有效波高與最大波高的關系為Hmax=1.75Hs。因此，SNAME中計算波浪力采用的波高為Hdet=Hmax(1.60/1.75)=15.88 m。

按SNAME和ISO 19901-1計算得到的波浪荷載對比見表2，按ISO 19901-1和ISO 19905-1計算得到的波浪荷載對比見表3。

對比表2和3可發現:采用SNAME方法計算得到的波浪荷載與采用ISO 19901-1的波浪傳遞系數得到的波浪荷載相差6.5%左右，計算結果比較一致;ISO 19905-1的波浪傳遞系數κ考慮了平臺自身的結構特征，采用該系數得到的波浪荷載比采用ISO 19901-1的系數得到的波浪荷載小18%，該結果也與之前的研究結果一致。這說明平臺的結構形式(尤其是科學合理的平臺樁腿間距)可極大地改善平臺所受的波浪荷載。考慮到移動平臺作業區域的不確定性，其作業的地理位置、作業水深及所受波浪的波高與波長均具有明顯的不確定性，從而給平臺確定合理高效的樁腿間距帶來較大的困難。在實際設計過程中，根據平臺預計的高重現率作業區域的環境條件確定合適的樁腿間距，可有效降低平臺所受的波浪荷載、提高平臺的作業壽命。

表2 按SNAME和ISO 19901-1計算得到的波浪荷載對比

表3 按ISO 19901-1和ISO 19905-1計算得到的波浪荷載對比

只要滿足式(1)～式(3)的要求，那么計算所得的ISO 19905-1推薦的系數κ都小于ISO 19901-1推薦的系數。因此,按照ISO 19905-1計算得到的波浪荷載小于按照ISO 19901-1計算得到的波浪荷載;同時，計算得到的波浪荷載與系數之間是二次方關系。表4～表8給出了系數κ隨不同變量的變化情況。

表4 系數κ隨水深的變化情況

表8 系數κ隨φ的變化情況

通過比較發現:在其他條件不變的情況下，水深和系數φ的變化對κ的影響最為顯著，樁腿間距的影響較明顯，而波高和波周期的影響較微弱。即平臺所處的地理位置、水深及平臺自身的樁腿間距會對環境荷載的大小產生重要的影響，因此在設計過程中,需對這些因素進行重點關注和綜合比較，以提高平臺的適應能力。

4 結束語

通過比較運用SNAME，ISO 19901-1和ISO 19905-1方法計算得到的波浪荷載及不同變量對ISO 19905-1波浪傳遞系數的影響，得到以下結論。

1) ISO 19905-1推薦的波浪傳遞系數κ在ISO 19901-1推薦系數的基礎上考慮了波浪參數、水深和平臺腿間距的影響，其中地理位置和水深對系數κ的影響最為顯著。

2) 運用ISO 19905-1推薦的方法得到的環境荷載要小于運用SNAME和ISO 19901推薦的方法得到的結果，且能更好地與目前的研究結果相吻合。采用該方法指導設計,可讓平臺設計更加經濟。

3) 對于移動平臺，要綜合考慮平臺作業區域多變的特點，重點依據平臺預計的高重現率作業區域的地理位置和環境條件確定合適的平臺結構形式。

[1] SNAME.SNAME Technical & Research Bulletin 5-5A[S].2008.

[2] International Organization for Standardization. ISO 19905-1. Petroleum and Natural Gas Industries-Site-Specific Assessment of Mobile Offshore Units-Par 1: Jack-ups[S]. 2012.

[3] International Organization for Standardization. ISO 19901-1. Petroleum and Natural Gas Industries-Site-Specific Assessment of Offshore Structures-Par 1: Metocean Design and Operating Conditions[S]. 2012.

[4] SMITH SF, HOYLE MJR, AHILAN RV,etal. The Effects of New Developments in Wave Modeling on Jack-up Loads[C]. Proceedings 20th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2001.

[5] SMITH SF, HOYLE MJR, AHILAN RV,etal. 3D Nonlinear Wave Spreading on Jackup Loading and Response and Its Impact on Current Assessment Practice[J]. Offshore Technology Conference, 2006(5):1-4.

CommentsAboutAnalysisMethodsofWaveLoadonJack-UpUnit

LIYe
(CCS Offshore Engineering Center, Tianjin 300457, China)

Wave load has significant impact on the overall performance and the work ability of a jack-up unit. Rationally selecting the analysis method of the wave load can give more accurate assessment of the overall performance of thejack-up unit and help to improve the work ability and efficiency. Because of this, through comparing the methods of determining the environmental load coefficients suggested by ISO 19901-1, ISO 19905-1 and SNMAE, proposes the suitable method for determining environmental load parameters.

jack-up rig； environmental load； wave load coefficient； overall performance

2015-05-17

李 曄(1975—)，男，遼寧開原人，高級工程師，碩士，從事海上設施圖紙審查、規范科研編制和海工技術研發工作研究。E-mail：liye@ccs.org.cn

1000-4653(2015)03-0079-04

P751;U674.38+1

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