災害性海洋環境下平臺安全性分析

摘 要：我國海洋石油開發逐步向深水海域發展，海洋平臺作為主要設施，其在海洋環境下的安全性極其關鍵，評估海洋平臺在環境作用下的響應是核心技術之一。目前，國際上主要的評估軟件多采用頻域分析，無法反應平臺的實際物理過程。本文介紹了一種新型平臺安全性分析軟件，實現了對真實的隨機波浪過程的模擬分析，軟件模擬結果與國際上相關軟件模擬結果及平臺現實監測數據進行對比，結果吻合較好。同時，軟件得到的動水壓力時域結果也為結構分析提供了時域荷載輸入，為浮式平臺在災害海洋環境作用下的安全分析提供了一種更準確的方法。

關鍵詞：浮式平臺；時域水動力分析；耦合運動分析；安全分析

中圖分類號：TE 58" " " 文獻標志碼：A

深水海域是災害性海洋環境的多發海域，頻發的災害性海洋環境勢必對深水海洋平臺等油氣設施造成巨大影響。分析其對海洋結構可能產生的影響與危害，對高成本、高風險的深水海洋油氣開發工作具有重要意義。

目前，基于三維勢流理論的商業軟件比較多，主要有麻省理工學院開發的WAMIT軟件，英國Century Dynamics公司開發的AQWA軟件，Garrison教授開發的MORA程序，MARIN開發的Diffrac程序，法國船級社陳曉波等開發的Hydro Star軟件[1]。這些方法都是基于頻域分析線性波浪與結構的相互作用。這些勢流計算是通過取速度勢的一階近似進行的，在其后的研究中發現波浪對結構物，特別是系泊結構物的二階作用不可忽視[2]。針對某一特定的波浪過程，該方法并不能準確分析并反應該過程中平臺的真實運動過程。

為了更準確地分析災害海洋環境與平臺的相互作用，開發了一套名為“863聯合”的軟件，該軟件使用全時域水動力分析方法，實現了對真實的隨機波浪過程的模擬分析。為了驗證該軟件的準確性，使用該軟件與國際上同類型軟件進了對比分析，并且通過某座平臺的實際監測數據再次進行對比，具有較高的一致性。

1 波浪與海洋平臺作用時域分析

首先，全時域水動力分析方法對波浪時程進行傅立葉分解，并記錄對應的波浪頻率成分及其對應的幅值和相位。其次，針對每一頻率成分進行結構的水動力分析，得到對應的運動及平臺荷載信息。再次，按照對應的幅值和相位信息對荷載信息進行重新組合，便得到了基于時域方法的平臺水動力系數及荷載。在求解運動方程的過程中，如果采用時域方法考慮系泊系統的耦合作用，就可以實現水動力求解及平臺與系泊系統耦合的全時域求解過程。由于該方法采用了2套時域求解過程，因此計算量增加，使計算時間延長。但其從理論上實現了對真實波浪過程的模擬分析。為提高分析效率，時域波浪與平臺作用分析基于勢流理論和攝動展開理論，采用高階邊界元法自主開發了波浪/波流與海洋平臺相互作用的時域模型。模型采用了攝動展開理論，計算域取在靜水面和平均物面上，模擬過程中只需要建立1次系數矩陣，分解1次，從而加快了求解速度；自由水面速度勢和波面的更新和平臺運動方程的求解均采用四階龍格庫塔方法，保證數值求解的穩定性和準確性。

在模型的驗證和數值計算中，首先通過求解波（流）與簡單形狀結構物的作用，并與解析解對比驗證了模型的正確性；研究中考慮了平臺的自由漂浮情況、不同外部剛度約束情況、不同阻尼情況，與課題開發的頻域方法和WAMIT等頻域程序進行對比，均具有較高的一致性。這里以周期為15s的波浪與一自由漂浮Spar平臺作用為例，給出了計算結果，如圖1所示。

圖2給出了本模型計算的6個方向運動響應幅值結果與2個頻域模型和WAMIT及時域模型的比較，各模型結果吻合度較高。

課題開發的時域模型可以模擬規則波和不規則波與海洋平臺的作用，分析平臺各點壓力、結構總力、結構運動響應和運動速度等參數的時間歷程。圖3～圖5給出了一個隨機波的時間歷程，并將其作用在無約束Spar平臺上，由時域模型可以模擬得到作用在平臺上的總波浪荷載時間歷程和平臺的運動時間歷程。由圖3～圖5可知，本方法可以對隨機波浪引起的隨機荷載以及平臺的隨機運動進行時域分析，結合平臺-系泊系統耦合運動分析程序，可以實現波浪與浮式平臺作用的全時域分析。

2 時域平臺運動分析與現場實測結果對比

采用上述分析方法，課題對有實測波浪數據的Horn Mountain平臺運動進行了分析，并與實際測量的平臺運動結果進行了比較，具有較高的一致性。2004年，颶風Ivan過境墨西哥灣，對很多海上石油設施造成了影響。Horn Mountain是位于墨西哥灣的一座浮動生產平臺，根據實測資料顯示，臺風過程中，最大波高達到了2500a一遇的水平，風速達到了600a一遇的標準。后報結果顯示，臺風過程中，特征波高達到了16m，風速達到了45.3m/s（88knot），明顯超過了波高設計值12.7m和風速設計值40.2m/s（78.2knot）。臺風路徑距離平臺為64.4km。Horn Mountain平臺是一座Spar平臺，于2002年建成，作業者是英國石油公司。

根據Horn Mountain平臺結構主尺度參數及平臺當時設備布置及質量分布信息，課題在時域耦合運動分析軟件中建立分析模型如圖6所示。

為了更真實地模擬現場情況，這里平臺的質量信息、系泊張力以及立管張力都根據當時平臺記錄進行建模。

在發生颶風的過程中，布置在Horn Mountain平臺上的監測系統成功記錄了當時的環境參數、結構運動參數。但是，監測系統在臺風到達平臺最近位置前6h停止了工作，因此，臺風過境期間的環境參數為后報結果。平臺監測系統記錄的環境參數以及臺風路過期間后報環境參數見表1。00：00—10：00的環境參數為監測結果，而16：15的環境參數為后報結果。

利用上述環境及結構參數作為課題開發的時域耦合浮式平臺運動分析軟件的輸入條件，計算得到的Horn Mountain Spar平臺運動響應，如圖7所示。

由圖7所知，在環境參數、結構參數較完備的條件下，課題開發的時域分析軟件可以較好地對災害海洋環境下Spar平臺的運動響應進行模擬，分析結果與實測結果吻合度較高。

3 基于時域水動力荷載的結構分析

實際海洋波浪是不規則的，即它的波高、波長和頻率都是隨機變化的。基于設計波方法的環境荷載不能真實體現波浪的隨機特性。全時域水動力分析的過程中可以得到結構表面動水壓力結果。利用時域水動力荷載分析的結果可以得到作用在平臺上的水動力壓力、加速度等荷載時域信息，將這些荷載輸入結構分析軟件中，便可以得到災害海洋環境發生過程中結構的應力響應。這種應力分析結果是平臺真實受力的反應。也是平臺安全評估、平臺災害環境作用過程中安全分析的重要結果。

基于全時域水動力分析的時域荷載分析方法，即根據課題發展的全時域波浪荷載分析技術直接求解隨機波浪作用下結構表面的波浪荷載變化情況。基于這一方法，可以再現災害海洋環境過程中結構上的隨機波浪荷載，達到在結構安全性評估過程中更準確分析結構受力的目的。為解決這一問題，課題開發了全時域水動力荷載到結構分析模型上的傳遞方法，將水動力軟件生成的結構表面壓力、結構運動加速度等數據傳遞到了通用結構分析軟件中。荷載傳遞即由水動力分析所用的濕表面模型向結構分析模型的荷載映射。本課題采用的是通用的單元就近映射方法，針對不同結構，映射結果如圖8、圖9所示。

半潛式鉆井平臺各個部位節點應力時域結構分析統計結果與傳統設計波方法計算結果的比較如圖10所示。結果顯示，時域動水壓力分析得到的結構應力結果小于設計波方法得到的應力分析結果。時域分析結果的結論合理，可以更準確地分析災害海洋環境作用。

4 結語

為了更準確地分析平臺在災害性海洋環境下的響應，課題開發了一套波浪與浮式平臺作用的時域分析軟件。結合平臺、系泊耦合非線性時域分析軟件，形成了一套波浪/平臺/系泊系統耦合全時域分析軟件。實現了準確模擬波浪 / 平臺 / 系泊系統相互作用的功能。該全時域分析軟件模擬的結果與同類型平臺模擬結果的一致性較高，與平臺實際監測數據也比較吻合。同時，全時域水動力分析得到的動水壓力時域結果也為結構分析提供了時域荷載輸入，為浮式平臺在災害海洋環境作用下的安全分析提供了一種更準確的方法。

參考文獻

[1]王俊榮，謝彬.半潛式平臺水動力性能及運動響應研究綜述[J].中國造船，2009，50（A11）：255-261.

[2]孫金偉.深水Spar平臺水動力性能和運動響應數值研究[D].青島：中國海洋大學，2010.