深水半潛平臺(tái)波浪載荷模型試驗(yàn)研究

蔣彩霞，王 輝，胡嘉駿，徐 春

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

深水半潛平臺(tái)波浪載荷模型試驗(yàn)研究

蔣彩霞，王 輝，胡嘉駿，徐 春

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

波浪載荷作為海洋平臺(tái)在生命期內(nèi)最重要的載荷形式，正確評(píng)估海洋平臺(tái)的波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。本文對(duì)一座深水半潛平臺(tái)的波浪載荷進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證研究，模型縮尺比為1∶40。采用三維勢(shì)流理論對(duì)半潛平臺(tái)的波浪載荷進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證計(jì)算。驗(yàn)證結(jié)果表明本次模型試驗(yàn)方法較好地模擬了半潛式平臺(tái)所承受的波浪載荷，其研究成果，可為半潛平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供支持。

半潛平臺(tái)；波浪載荷；模型試驗(yàn)

0 引 言

目前，隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)，陸地資源和能源日趨緊張，各國(guó)都把發(fā)展的方向和趨勢(shì)轉(zhuǎn)向占地球表面積71%的海洋上，并逐漸形成了投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、高新技術(shù)密集的能源工業(yè)新領(lǐng)域。而深水半潛式平臺(tái)有著特殊的結(jié)構(gòu)形式，水線面積小，在對(duì)波浪和海流的響應(yīng)方面有著良好的性能[1]，作為海洋油氣開發(fā)重要裝備形式之一，目前已經(jīng)成為國(guó)際上深海勘探的主流裝備形式。由于世界上的深水油田多分布在環(huán)境惡劣的海域，且半潛式平臺(tái)與一般航行船舶不同，在遇到惡劣海況時(shí)不能規(guī)避，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段必須要考慮其在生命期內(nèi)可能要遭遇的海況，要具備足夠的強(qiáng)度，以保障平臺(tái)上人員及設(shè)備的安全[2,3]。深水浮式平臺(tái)系統(tǒng)承受的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，按頻率帶可劃分為平均環(huán)境載荷、波頻載荷、低頻載荷和高頻載荷。而波浪載荷是平臺(tái)所受環(huán)境載荷的主要部分[4]。波頻載荷是直接作用在平臺(tái)浮體、系泊和立管上并引起平臺(tái)一階波浪運(yùn)動(dòng)的波浪循環(huán)載荷，出現(xiàn)頻率較高，在平臺(tái)構(gòu)件力和系泊系統(tǒng)力中占主要成分，其波浪周期一般介于5～20 s之間，是平臺(tái)強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全評(píng)估中一個(gè)非常重要的載荷，正確計(jì)算和評(píng)估波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義[5]。目前各大船級(jí)社規(guī)范均規(guī)定半潛平臺(tái)的波浪載荷估算需通過基于三維水動(dòng)力理論的設(shè)計(jì)波法進(jìn)行預(yù)報(bào)[6-8]。與船舶類似，試驗(yàn)手段對(duì)于了解半潛平臺(tái)在海浪中的運(yùn)動(dòng)和載荷特性具有重要意義，水池模型試驗(yàn)仍然是最易操作和經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)手段。但就目前的資料顯示，平臺(tái)的水池試驗(yàn)?zāi)壳按蠖嗉性谶\(yùn)動(dòng)方面的測(cè)量，波浪載荷的試驗(yàn)非常少，其主要原因在于平臺(tái)波浪載荷及測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文采用模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真2種方法對(duì)半潛式平臺(tái)的波浪載荷進(jìn)行研究，采用安裝了低頻軟彈簧的分段模型來開展模型試驗(yàn)，低頻彈簧系統(tǒng)的主要作用是模擬動(dòng)力定位和錨泊系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)的作用。本次模型試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心（CSSRC）開展。相應(yīng)的數(shù)值仿真采用SESAM軟件進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)比分析，試圖對(duì)平臺(tái)波浪載荷的特性、主要影響參數(shù)以及計(jì)算方法進(jìn)行研究，該研究成果對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用，可為工程設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次模型試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的耐波性水池開展，該水池長(zhǎng)69 m，寬46 m，深4 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1:40，模型線型與平臺(tái)幾何相似，重心位置、慣性半徑等參數(shù)按照相似準(zhǔn)則與半潛平臺(tái)一致[4]。試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。本次試驗(yàn)中所用的縮比模型由彈簧系統(tǒng)、測(cè)量梁及玻璃鋼船體等組成。由于深水半潛平臺(tái)的定位系統(tǒng)可能采用動(dòng)力定位系統(tǒng)或者系泊系統(tǒng)。而模型試驗(yàn)中無法完全模擬其對(duì)波浪載荷的影響，因而在縱向的首尾位置采用4根低頻軟彈簧固定，以達(dá)到目標(biāo)平臺(tái)在波浪中穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本次模型試驗(yàn)采用雙梁測(cè)試（雙梁分別標(biāo)定。測(cè)量結(jié)果由測(cè)量梁A和測(cè)量梁B的結(jié)果在時(shí)域上合成獲得）。

圖 1 模型試驗(yàn)彈簧系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)布置Fig. 1 Graphic of semi-submersible platform model test system and measuring point arrangement

試驗(yàn)中，規(guī)則波采用不同的波長(zhǎng)和波高組合進(jìn)行模擬，不規(guī)則波采用ITTC推薦的雙參數(shù)譜。主要試驗(yàn)工況詳見表1。

表 1 模型試驗(yàn)工況Tab. 1 EXPERIMENTAL CASES

圖 2 Mv RAO（浪向 90°）Fig. 2 Mv RAO (direction 90°)

圖 3 Qv RAO（浪向 90°）Fig. 3 Qv RAO (direction 90°)

1.2 規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)主要測(cè)量4種載荷，包括中縱剖面上的垂向彎矩Mv，垂向剪力Qv，剖面上的分離力Fs以及扭矩Mt，分別由2條梁上測(cè)得的剖面載荷進(jìn)行合成得到。對(duì)中縱剖面上的4種載荷成分作傳遞函數(shù)分析，其載荷傳遞函數(shù)如圖2～圖5所示。從圖中可以看出，對(duì)于橫浪下的垂向彎矩，其出現(xiàn)最大響應(yīng)的周期在1.534 s附近；對(duì)于橫浪下的垂向剪力，其出現(xiàn)最大響應(yīng)的周期在1.23 s附近；對(duì)于橫浪下的分離力，其出現(xiàn)最大響應(yīng)的周期在1.534 s附近；對(duì)于150°頂斜浪下的扭矩，其出現(xiàn)最大響應(yīng)的周期在1.402 s附近，分離力及扭矩峰值出現(xiàn)的區(qū)域均與規(guī)范中的規(guī)定較為接近。垂向彎矩和分離力的響應(yīng)周期及傳遞函數(shù)形式具有一定的相似性，在波浪周期為1 s左右2種載荷均存在一個(gè)較大的響應(yīng)峰值。

圖 4 Mt RAO（浪向 150°）Fig. 4 Mt RAO (direction 150°)

圖 5 Fs RAO（浪向 90°）Fig. 5 Fs RAO (direction 90°)

1.3 不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果

不規(guī)則波中典型的載荷及加速度記錄曲線見圖6。由圖可知，在不規(guī)則波工況出現(xiàn)極大波高的情況下，各載荷及加速度分量均具有少部分高頻振蕩成分，這應(yīng)該與斜浪狀態(tài)下的立柱及下甲板砰擊有關(guān)。對(duì)4種載荷成分Mv，Qt，F(xiàn)s以及Mt的波浪成分及合成值進(jìn)行weibull分布統(tǒng)計(jì)分析，可以看出，半潛平臺(tái)在波浪下的剖面載荷響應(yīng)與weibull分布符合甚好，尤其是對(duì)于各載荷分量的總響應(yīng)（波浪成分+高頻成分）。

圖 6 不規(guī)則波工況典型載荷數(shù)據(jù)記錄曲線Fig. 6 Typical record curve of irregular wave

2 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

采用SESAM/Genie，根據(jù)平臺(tái)線型建立三維濕表面模型，共3 357個(gè)單元。對(duì)于橫撐建立Morison模型，采用Morison方程計(jì)算波浪載荷。對(duì)應(yīng)于目標(biāo)平臺(tái)生存工況，建立相應(yīng)的質(zhì)量模型。質(zhì)量模型確保與實(shí)際平臺(tái)的總重、重心位置和慣性半徑一致。

由于平臺(tái)立柱與浮筒外輪廓是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用SESAM/Genie，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)建立1/2三維濕表面模型。三維濕表面模型劃分至模型頂端，共3 357個(gè)單元。對(duì)于撐桿，采用Morison方程計(jì)算波浪載荷。

由于不同的浪向、周期以及相位下，波浪對(duì)平臺(tái)的作用力有很大的差異，因此應(yīng)計(jì)算不同的浪向、周期的波浪在不同相位對(duì)平臺(tái)的載荷，從中選取載荷最大的工況。

浪向范圍取0～180°，浪向間隔15°，同時(shí)在斜浪方向上對(duì)浪向加密（40°，50°）。波浪周期范圍取3～40 s，在特征周期附近取0.25 s，在其他區(qū)域取2 s。計(jì)算的響應(yīng)量為剖面力和彎矩，選取中橫剖面和中縱剖面為計(jì)算剖面，以確定不利波浪的參數(shù)。

試驗(yàn)主要測(cè)量4種載荷，包括中縱剖面上的垂向彎矩Mv，垂向剪力Qv，剖面上的分離力Fs以及扭矩Mt。對(duì)測(cè)量的4種載荷進(jìn)行分析，在各載荷出現(xiàn)極值的工況中，模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算的對(duì)比見圖7～圖10。

圖 7 中縱剖面垂向彎矩MV RAO試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較（浪向90°）Fig. 7 Comparison of vertical moment RAO between model test and numerical calculation results (direction 90°)

從圖7～圖10可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，典型計(jì)算工況的載荷傳遞函數(shù)極值周期，幅值均在誤差允許范圍內(nèi)。從而驗(yàn)證理論預(yù)報(bào)方法和波浪載荷數(shù)值計(jì)算模型的可靠性及精確度。同時(shí)，極值出現(xiàn)周期和浪向與相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的一致，但值得注意的是，在波浪載荷的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果中，規(guī)范規(guī)定之外的小周期5 s時(shí)，約為極值周期的1/2處，中縱剖面上的各主要載荷出現(xiàn)了一個(gè)高頻第二峰值。而高頻載荷是由2階和頻或更高階波浪力使平臺(tái)產(chǎn)生高頻共振的載荷，其響應(yīng)涉及springing（高頻振動(dòng)）和ringing（超高頻振動(dòng)），前者具有相對(duì)穩(wěn)定的特征，后者具有相對(duì)瞬時(shí)的特征，可引起平臺(tái)垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)，典型的固有周期是在1～5 s之間。因此在波浪載荷的數(shù)值預(yù)報(bào)中，除了相關(guān)規(guī)范規(guī)定的典型計(jì)算工況的載荷，也應(yīng)關(guān)注高頻波浪的響應(yīng)，在波浪載荷搜索的過程中，為了更好地抓住載荷的響應(yīng)特性，應(yīng)將此高頻波浪納入搜索范圍。

圖 8 中縱剖面垂向剪力QV RAO試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較（浪向90°）Fig. 8 Comparison of vertical shear RAO between model test and numerical calculation results (direction 90°)

圖 9 中縱剖面對(duì)開力Fs RAO試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較（浪向 90°）Fig. 9 Comparison of split force RAO between model test and numerical calculation results (direction 90°)

圖 10 中縱剖面扭矩Mt RAO試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較（浪向 150°）Fig. 10 Comparison of torsion RAO between model test and numerical calculation results (direction 150°)

不規(guī)則波統(tǒng)計(jì)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算短期預(yù)報(bào)結(jié)果的比較詳見表2。其結(jié)果表明，Mv，Qv，F(xiàn)s的最大響應(yīng)均出現(xiàn)在C04工況（H1/3=329.1 mm，TZ=1.836 s，浪向90°），Mt最大響應(yīng)出現(xiàn)在C02工況（頂斜浪150°）。從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)波方法在典型危險(xiǎn)波浪工況計(jì)算中的準(zhǔn)確性。不規(guī)則波試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算短期預(yù)報(bào)結(jié)果出現(xiàn)極值的工況一致，典型載荷響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算短期預(yù)報(bào)結(jié)果均略大于試驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)值，且誤差在25%以內(nèi)。

表 2 不規(guī)則波統(tǒng)計(jì)結(jié)果與數(shù)值預(yù)報(bào)短期預(yù)報(bào)結(jié)果比較Tab. 2 Statistics results of test irregular waves and numerical prediction of short-term

3 結(jié) 語

本文以一座深海半潛式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)其進(jìn)行了波浪載荷水池模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。分析對(duì)比了模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果后，得出以下結(jié)論：

1）典型波浪載荷計(jì)算工況的運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)，剖面載荷傳遞函數(shù)的試驗(yàn)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果傳遞函數(shù)的響應(yīng)極值和極值周期吻合良好，說明本模型試驗(yàn)方法較好地模擬了半潛式平臺(tái)所承受的波浪載荷；

2）波浪載荷模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果規(guī)則波傳遞函數(shù)吻合良好，且數(shù)值計(jì)算能更好地捕捉波浪載荷響應(yīng)極值與周期；

3）模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算中，典型載荷的傳遞函數(shù)在1/2的極值周期處，均存在第二峰值現(xiàn)象，這個(gè)高頻波浪不在規(guī)范要求的計(jì)算范圍內(nèi)，但在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和載荷的計(jì)算中需要額外注意。

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[7]DNV. OFFSHORE STANDARD DET NORSKE VERITAS DNV-OS-C101.

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Wave load model test investigation of deep sea semi-submersible platform

JIANG Cai-xia, WANG Hui, HU Jia-jun, XU Chun
(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Wave load as the most important load form of offshore platforms whole life, properly assess the wave loads on offshore platform safety is great significance. Wave load model tests and numerical calculation on a deepwater semi-submersible platform were carried out with model scale ratio 1∶40. Using three-dimensional potential flow theory the numerical simulation of wave load for semi-submersible platform was calculated. The results show that this model test method can get real character of wave load, and the research results may be helpful for semi-submersible platform designer.

semi-submersible platform；wave load；model test

U661.1

A

1672-7649(2017)11-0100-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.019

2017-01-09；

2017-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51239008)

蔣彩霞(1983-)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇凹昂Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。