第七代超深水鉆井船環境烈度因子研究

王金峰，劉仁昌，趙志堅，曹 凱，張利軍

(中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著全球石油勘探活動逐漸走向深遠海，對浮式鉆探裝備的要求更加嚴格。鉆井船作為船型的海工裝備具備船舶與海洋工程雙重特點，相比半潛式鉆井平臺,其續航能力強、排水量大，能夠裝載更多的物資和材料，適合遠海作業，同時鉆井船機動性好，可快速地在不同作業地點和作業海域遷移。

基于美國船級社《鉆井船入級與建造指南》(以下簡稱“指南”)要求，鉆井船的結構設計與計算須分別考慮鉆井作業、風暴自存、遷移三種作業情況下的環境條件，同時鉆井船的結構構件尺寸的初始設計需要按照美國船級社《鋼制船舶入級與建造規范》(以下簡稱“船規”)進行設計。在“船規”中，波浪載荷設計值的計算環境條件為北大西洋20 a一遇的海況，這與鉆井船在作業、自存、遷移三種情況下的海況條件不同，所以這里引入環境烈度因子概念。通過烈度因子修正“船規”中的波浪載荷設計值，實現鉆井船在指定作業海域和海況下的結構設計。美國船級社在內部研究報告中對浮式生產儲油裝置(FPSO)的環境烈度因子計算方法進行了闡述，國內也有相關學者對浮式生產儲油裝置的環境烈度因子進行了大量的研究，但對于鉆井船環境烈度因子的計算方法國內尚無相關文獻可供參考。

本文對美國船級社“指南”中環境烈度因子計算方法進行了詳細的闡述，同時基于該規范對第七代超深水鉆井船的環境烈度因子進行了計算并對該因子的計算要點進行了說明，為此類船型的結構設計分析提供了參考。

1 環境烈度因子計算原理

環境烈度因子β由特殊作業場地下的動載荷極值Ls和北大西洋無限航區海況條件下的動載荷極值Lu直接決定。用于環境烈度因子計算的各個波浪載荷成分基于三維線性勢流理論方法[1]進行計算，通過求解船舶六自由度運動響應[2]以及濕表面壓力求得剖面載荷與運動加速度響應進行長短期分析。計算軟件采用基于三維線性勢流理論的美國船級社計算軟件SEAS軟件。“指南”中給出的用于強度分析的環境烈度因子的計算公式如下：

(1)

式中：β為用于強度分析的環境烈度因子；Ls為在指定作業場地海況下的動載荷極值(長期、短期極值)，包括預期作業場地(至少1 a重現期)、遷移航線(考慮目標鉆井船需滿足全球航行要求，這里取20 a重現期)；Lu為基于北大西洋無限航區海況條件下的動載荷極值(長期極值)，重現期為20 a。

不同環境烈度因子的分類見表1。

本文在進行波浪載荷與運動幅頻響應算子(RAO)[3]的計算時，作業工況取為三種：作業工況、遷移工況、風暴自存工況。計算工況按照美國船級社“指南”要求進行選取，計算工況中的裝載必須能夠代表結構設計中的危險情況與結構規范設計吃水保持一致。基于以上原則，這里選取所有工況中的最大吃水時的滿載工況進行計算。

表1 環境烈度因子分類

計算中，考慮所有的浪向角同時也要考慮鉆井船的對稱性，選取浪向角搜索范圍為0°～180°(迎浪為0°，向左舷轉動為正)，浪向間隔15°。根據鉆井船作業特點，浪向概率按照等概率進行計算。

本文選取波浪角頻率的計算范圍為0.2 ～1.8 rad/s，間隔0.05 rad/s，對應波浪周期范圍為3.5～31.4 s，可涵蓋常見海域的波浪周期。

2 波浪載荷預報的長短期分析方法

根據超深水鉆井船的作業工況特點，其在指定地點作業工況下既要進行基于波浪散布圖的長期分析，同時也要考慮作業時的極限短期海況，此時需要對指定作業地點的長期載荷極值與短期極值載荷進行對比，取其大者進行烈度因子的計算。對于風暴自存工況只對短期的極限風暴海況進行分析。

短期預報[4]是指分析時間發生在半小時到數小時之內。在數小時的時間段內可以認為船舶的航向、裝載、航速以及海況都是不變的，可采用譜分析的方法得到船舶波浪載荷的響應譜。在短期分析時，可以認為波浪載荷的幅值滿足瑞麗分布，其概率密度函數f(x)與分布函數F(x)如下：

(2)

(3)

式中：x為載荷幅值；σ2為方差。

在海洋工程中常認為短期統計時間為3 h，n為3 h內載荷的平均循環次數。短期統計特征最大值在n次載荷循環中僅出現一次超越此值：

(4)

(5)

式中：xmax為短期統計特征最大值。

長期預報[4]相比短期來說，時間更長，可以為一年、幾年或是整個生命周期內，在這期間船舶的航行、裝載、航速、海況都發生了變化。長期分析可以認為是很多短期的組合。

船舶運動或波浪載荷幅值y的長期概率密度f(y)是對應的短期概率密度f0(y)的加權組合：

(6)

式中：pi(H1/3,T)為有義波高H1/3和平均周期T的函數代表某海況出現的概率；α為航向角；U為航速；pj(α)為航向角的概率；pk(U)為航速的概率；n0為短期海況中單位時間內波浪載荷響應的平均循環次數。

3 環境烈度因子在校核中的應用

環境烈度因子β可以修正規范總縱彎矩、剪力從而影響船體剪切面積與剖面模數；通過修正規范中液艙水壓力等局部載荷，從而影響結構局部構件尺寸。基于環境烈度因子修正原理，也可實現采用船舶三艙段計算方法進行指定作業地點環境條件下的總體強度與疲勞分析[5-6]。典型的載荷修正方法如下：

對總縱彎矩的修正方式：

MWS=-k1βVBMC1L2B(Cb+0.7)×10-3

MWh=+k2βVBMC1L2BCb×10-3

(7)

式中：βVBM為垂向彎矩環境烈度因子；k1，k2為規范修正系數，k1=110，k2=190；C1為與船長相關系數，取為10.5；L為船長；B為船寬；Cb為方形系數。

對舷外水壓力的修正方式：

pes=ρg(hs+βEPSkfkuhde)

(8)

式中：βEPS為舷外水壓力烈度因子；kf為與計算點位置和相位相關的系數；ku為載荷系數，通常取1；hde為水動壓頭；hs為靜水壓頭；ρg為指定海水重量，ρg=1.005 N/cm2·m。

4 算例分析

目標算例鉆井船為帶有試采功能的第七代超深水鉆井船，除常規鉆井船的鉆井功能外，目標船帶有初期的試采與儲油功能為典型的船形海工結構。該船作業水深3 600 m，鉆井深度可達15 200 m。目標船主要作業海域為南海，同時具備在巴西、西非海域作業的能力，具備全球航行能力，所以其在航行工況時需要滿足北大西洋20 a一遇海況條件。

本文首先對用于構件尺寸初始設計以及總縱強度分析[7]的幾個典型環境烈度因子進行了計算，其次分別按照三種作業工況下的不同海況條件以及北大西洋海況進行了波浪載荷以及運動響應的長短期分析，最終通過比較得出對應各個控制載荷的環境烈度因子。

4.1 鉆井船主尺度信息

算例鉆井船濕表面模型要考慮鉆井船月池開口對排水量的影響，以保證全船濕表面網格的正交性。水動力分析所需的濕表面模型如圖1所示。

圖1 濕表面模型

將全船質量模型劃分為20站，精確統計每一站船體的重量、重心以及轉動慣量，保證船體實際排水量與重量誤差不超過1%。

算例船主尺度信息見表2。

表2 主尺度信息

4.2 典型控制載荷及其計算位置選取

計算點位置的選取遵循滿足所選位置的控制載荷[5]為最危險位置，同時要與美國船級社“船規”公式中的波浪載荷或運動響應的計算位置保持一致，以保證計算得到的環境烈度因子能夠真實反映指定作業海域的海況條件，保證烈度因子能夠準確地修正“船規”中的載荷，滿足“指南”中的要求。典型的用于結構構件尺寸初始設計的載荷計算位置見表3。

表3典型控制載荷計算位置m

控制載荷計算點位置距艉垂線距離距中縱剖面橫向距離距離基線高度船中垂向波浪彎矩116010.0垂向波浪剪力17409.0船中水平波浪彎矩116010.0水平波浪剪力17409.0橫向加速度11621.722.4縱向加速度232022.4

4.3 計算條件

船舶結構構件尺寸基于結構吃水進行設計，本文選取鉆井船最大吃水時的滿載工況作為環境烈度因子的計算工況，吃水選取結構吃水12.5 m。

作業工況Ls的計算，選取短期海況有義波高8.5 m，平均跨零周期7～10 s;風暴自存工況選取有義波高13.5 m，平均跨零周期10～13 s。由于目標鉆井船要求具備全球航行能力，所以遷移工況的海況選取北大西洋海況，回歸周期為20 a與計算Lu時的海況相同。在作業工況中同時選取指定南海作業地點的波浪散布圖進行長期分析，回歸周期取為1 a一遇。計算中短期海況的波浪譜采用JONSWAP譜，參數γ取3.3。

計算Lu時選取北大西洋散布圖進行設計載荷的長期分析，回歸周期取為20 a。

4.4 鉆井船典型運動與載荷幅頻響應算子

基于水動力分析Precal軟件，計算得到目標鉆井船典型的載荷與運動響應如圖2～圖5所示。

4.5 典型控制載荷烈度因子計算結果

在船舶波浪載荷計算[6]中，作業工況載荷通常以長期統計值作為設計值，而短期值作為參考。為保證環境烈度因子選取的準確性，這里作業工況分別針對短期與長期環境條件進行計算，選取最大值作為Ls的計算值。通常短期3 h海況更能合理地描述短期風暴環境，所以自存工況采用短期分析值作為Ls計算值。本文所選目標第七代鉆井船需滿足全球航行要求，所以這里選取北大西洋散布圖作為遷移工況下的長期設計海況條件。

本文以總縱強度相關的四個環境烈度因子以及橫向、縱向加速度烈度因子為例，給出了作業工況各個控制載荷長短期值的比較過程，其結果見表4。

風暴自存工況與遷移工況的環境烈度因子分別見表5、表6。

圖2 垂向波浪彎矩幅頻響應算子

圖3 垂向波浪剪力幅頻響應算子

圖4 垂向波浪剪力幅頻響應算子

圖5 水平波浪剪力幅頻響應算子

控制載荷指定作業地點載荷極值Ls北大西洋海況載荷極值Lu烈度因子ESF短期統計值(指定短期海況)長期統計值(指定作業地點散布圖)長期統計(北大西洋散布圖)Ls/Lu垂向彎矩VBM/(N·m)-2.282×109-2.263×109-3.746×1090.609水平彎矩HBM/(N·m)1.409×1096.465×1081.733×1090.813垂向剪力VSF/N-2.922×107-2.525×107-4.461×1070.655水平剪力HSF/N2.183×1079.600×1062.824×1070.773橫向加速度 TAC/(m·s-2)5.2934.9826.3700.831縱向加速度LAC/(m·s-2)1.1281.0231.4700.768

表5 風暴自存工況下總縱彎矩剪力烈度因子

表6 遷移工況下總縱彎矩剪力烈度因子

作業工況的環境烈度因子全部小于1，說明對于第七代超深水鉆井船來說，作業工況的長短期海況條件烈度要小于北大西洋海況條件，因為作業工況下的海況需滿足鉆井船鉆井作業需要，其極限海況一般會小于北大西洋海況。而在風暴自存工況中部分載荷的烈度因子大于1，表明對于這些控制載荷，鉆井船的設計風暴海況相比北大西洋海況對于目標船來說更加惡劣。由于第七代超深水鉆井船需滿足全球航行要求，其遷移工況烈度因子為1，表明其遷移工況環境條件與北大西洋海況的烈度一致。

5 結論

(1)采用環境烈度因子方法，在結構設計的初始構件尺寸確定階段就可以充分考慮指定作業地點海況下的載荷烈度，從而在設計循環初期就給出較為合理的結構初始尺寸。

(2)對于鉆井船類船形海工結構，一般風暴自存工況中部分控制載荷的烈度會大于基于北大西洋海況的計算結果，對于此類控制載荷風暴自存工況為主控設計工況，而其他控制載荷應取北大西洋海況計算結果，即載荷值最小不能小于北大西洋海況的計算值。

(3)本文將美國船級“指南”中提出的環境烈度因子計算方法應用于目標第七代超深水鉆井船設計中，可為同類船舶的環境烈度因子計算提供參考。

參考文獻：

[1] 戴仰山,沈進威,宋競正.船舶波浪載荷[M].北京:國防工業出版社，2007.

[2] 劉應中,繆國平.船舶在波浪上的運動理論[M].上海:上海交通大學出版社,1987.

[3] 張海彬.FPSO儲油輪與半潛式平臺波浪載荷三維計算方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2004.

[4] 任慧龍,任晨輝, 郎舒妍,等.基于海況參數分析的船體梁載荷預報方法研究[J].船舶工程, 2015，37(11):6-9.

[5] 江建協,何炎平,王慶豐.30萬噸級FPSO波浪誘導載荷研究[J].船舶工程, 2006,28(3):50-53.

[6] 羅秋明,薛鴻祥, 唐文勇.45萬噸級超大型礦砂船全船結構有限元分析[J].船舶工程, 2010, 32(2):8-12.

[7] 劉磊,王甫超.83.8 m平臺支持船總縱強度分析及結構優化研究[J].江蘇船舶, 2017, 34(6)：20-21.