基于風速預估的換流閥導管架海洋平臺特性分析

熊湘趣

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

電力資源的及時運輸尤其是特高壓直流輸電技術(shù)(UHVDC)的大規(guī)模實施，能快速地將電量通過以換流閥為主特高壓直流輸電系統(tǒng)為主的設(shè)備輸送到電能需求量大的地區(qū)。換流站是中國電網(wǎng)特高壓直流輸電工程的組成部分，其中換流閥閥廳是換流站結(jié)構(gòu)設(shè)計最為重要的地方。換流閥閥廳建設(shè)所需要的場所范圍大，高度高，工藝要求比較復雜。閥廳中主要設(shè)置的是換流閥和防火墻安排，滿足安全生產(chǎn)要求[1]。同時導管架海洋平臺作為海上生產(chǎn)生活的主體工具，對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性評價尤為重要。對于海洋工程來說考慮風荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必不可少的階段。目前，許多研究者都對海洋平臺所受的風荷載進行了研究，對于風速的選取一般是采取的某些地區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，沒有去考慮未來出現(xiàn)的極限情況。

風荷載的計算需要得到海洋平臺所處海域的風速，但是未來的風速是不確定的，直接運用過去收集的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)可能使最后的計算結(jié)果偏保守。文中雖然未來的具體極限風速無法通過計算得到，但是海風在未來一定時間里的極限風速出現(xiàn)的概率還是可以通過過去收集保存的大量數(shù)據(jù)通過概率統(tǒng)計進行計算得到結(jié)果，然后由此得出的極限風速進行海洋平臺的極限工況的風荷載計算，將極限工況作為邊界條件，在保證減少成本的情況下滿足導管架安全設(shè)計要求，對于海洋平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計有非常重要的意義[2]。

1 風速預估

1.1 資料來源

風速資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心的中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)。

1.2 風速計算

在工程設(shè)計過程中，從安全性和經(jīng)濟性綜合考慮，便需要進行科學的計算和預估極限荷載，但是對于風荷載，浪荷載以及地震荷載來說，用實測極值來作為設(shè)計依據(jù)顯然是不合理的。所以，在考慮實際極值的時候，通常采用概率分布描述極端極值，這是因為氣候要素極值出現(xiàn)的概率是穩(wěn)定的[3]。所以，通過概率統(tǒng)計來計算滿足概率條件為P的最大風速。

選取1963年—2010年東海某海域臺站受臺風影響的頻次如表1所示，選取1963年—2010年期間達到影響條件的風速樣本，并保證選取的風速樣本之間的獨立性。設(shè)置一個風速閾值在所有的年份風速樣本中選取大于這個閾值的風速樣本，同時也要讓所有的數(shù)據(jù)樣本中有的年份風速樣本沒有大于閾值標準的風速，并且要求全年風速沒有達到閾值的年份不超過所選取年份的1/10，選取的樣本數(shù)據(jù)建立臺站最大風速序列[4]。

表1 1963年—2010年東海某海域極端風速擬合檢驗

首先檢驗極端風速出現(xiàn)的頻次是否符合泊松分布，根據(jù)公式：

(1)

(2)

式中Q為風速樣本中被極端天氣影響總次數(shù)，M為風速樣本中氣候觀察的總年數(shù)，Pk為式(1)中計算的分布頻數(shù)，k為分組數(shù)，q為每年發(fā)生極端天氣影響的次數(shù)。

然后根據(jù)公式：

(3)

樣本中極端風速出現(xiàn)頻次分布函數(shù)記為：

G(v)=exp{-exp[-α(v-δ)]}

(4)

由式(3)計算可知，風速樣本中極端風速出現(xiàn)的頻次是符合泊松分布的，所以可以將極端風速出現(xiàn)頻次分布函數(shù)改寫為：

(5)

將式(5)兩邊取對數(shù)，

(6)

將式(4)代入(6)得到，

(7)

將式(7)兩邊取兩次對數(shù)可得，

(8)

式中參數(shù)α和δ可以通過有限樣本(N)分布函數(shù)代替極端風速出現(xiàn)頻次分布函數(shù)。

(9)

(10)

(11)

將式(11)代入式(8)計算可以得出概率為P的大風極限速度為：

(12)

2 模型實例計算

2.1 換流閥導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)模型

換流閥導管架平臺結(jié)構(gòu)主要分為甲板上換流站結(jié)構(gòu)和導管架結(jié)構(gòu)。文中設(shè)計閥廳采取密封設(shè)計，保證閥廳內(nèi)部工作環(huán)境。換流閥閥廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計為長65.0 m，寬38.0 m，高為35.0 m，密閉箱體，工業(yè)生產(chǎn)面積為2 470 m2。換流閥的尺寸為長10.0 m，寬6.0 m，高13.3 m，重量為7.8 t，在閥廳內(nèi)安裝的數(shù)量為18臺，換流閥荷載的分布如圖1所示。

圖1 換流閥荷載分布

換流閥導管架平臺處于水深為79 m，高出水面的部分為55 m，導管架平臺水面以下樁腿長度為120 m，其中泥面以上的樁腿長度為72 m，泥面以下的樁腿長度為48 m。平臺包括有3層甲板，上面2個甲板組成換流閥閥廳，下甲板為貨物運輸甲板，用來運輸停靠船的貨物。各層甲板高度為EL+15.3 m、EL+20.0 m、EL+55.0 m，整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 導管架平臺整體結(jié)構(gòu)模型

2.2 環(huán)境荷載設(shè)定

主要研究的環(huán)境荷載為風荷載對換流閥導管架平臺的影響。經(jīng)過式(12)可得重現(xiàn)期為50年的極端工況風速為38.56 m/s，一年一遇的操作工況風速為26.58 m/s。同時，導管架平臺有深入地下48.5 m，海底土層信息需采用相應海域?qū)崪y數(shù)據(jù)編輯文件。

2.3 仿真計算結(jié)果

圖3 導管架平臺計算仿真云圖

在8個角度(0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°)環(huán)境荷載計算的過程中得到對應角度上承受的風荷載，然后分別進行仿真模擬計算并進行對比，選擇出導管架平臺應力結(jié)果最大的方向。經(jīng)過計算結(jié)果如下，在極端工況下導管架平臺最大偏移量為1.217 m，桿件與節(jié)點的UC值都在安全范圍以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

筆者采用泊松-耿貝爾法的方法預估了重現(xiàn)期為50年的極限風速，并以此為基礎(chǔ)進行了換流閥導管架海洋平臺的靜強度分析，得到在極端工況下海洋平臺的結(jié)構(gòu)特性，在極端海況作用下，換流閥導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計要求，為后續(xù)工程實踐提供參考。