自升式鉆井平臺風(fēng)載荷研究

譚 美，馮 軍，熊 飛

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 201206）

0 引 言

目前國內(nèi)外海洋移動式平臺的穩(wěn)性衡準(zhǔn)都采用“氣象衡準(zhǔn)”，即把平臺在海上所受的載荷僅用風(fēng)載荷表現(xiàn)出來，而將波浪對平臺的影響以及其他因素考慮在穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)中，這樣風(fēng)載荷的確定對海洋移動式鉆井平臺的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有重要影響[1]。目前船級社規(guī)范給出的風(fēng)載荷計(jì)算公式，均明確了風(fēng)載荷與風(fēng)速的關(guān)系，但平臺外形構(gòu)件之間的遮蔽效應(yīng)復(fù)雜，形狀系數(shù)和升力作用等影響，造成按規(guī)范計(jì)算的結(jié)果比實(shí)際值偏大。國內(nèi)外開展了大量的相關(guān)研究，以期獲得更準(zhǔn)確的風(fēng)載。

風(fēng)洞試驗(yàn)是公認(rèn)的移動式鉆井平臺風(fēng)載荷設(shè)計(jì)方法，但對自升式鉆井平臺，這方面的工作還比較少。CFD數(shù)值模擬理論上可以彌補(bǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本，但出于目前計(jì)算機(jī)硬件設(shè)施方面限制因素，國內(nèi)外幾乎沒有對全自升式平臺的完整模擬[1～6]。本文基于中集集團(tuán)（CIMC）自主研發(fā)設(shè)計(jì)的自升式鉆井平臺ZJ400，對該類平臺風(fēng)載荷進(jìn)行了全面和深入的研究。

1 ZJ400平臺特點(diǎn)及風(fēng)況選擇

1.1 平臺特點(diǎn)

ZJ400為國際最新一代自升式鉆井平臺，平臺船型為三角形船體，采用3個三角形桁架樁腿及齒輪齒條式升降系統(tǒng)，每個樁腿由下端的樁靴支撐，液壓驅(qū)動式懸臂梁，其主要參數(shù)為：

船長70.4m，型寬74.2m，型深9.4m，樁腿全長166.98m，樁腿軸間距橫向49.2m、縱向46.2m，井架高51.8m，最大工作水深122m，最大鉆井深度9144m，設(shè)計(jì)吃水6.4m，最低設(shè)計(jì)溫度–20℃，可攜帶船員120人。

1.2 工況條件

ZJ400的設(shè)計(jì)工況如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)工況

本文選取平臺最危險的一組自存工況進(jìn)行研究：水深 122m，最大風(fēng)速 51.44m，氣隙12.19m，懸臂梁處于收回狀態(tài)。

2 風(fēng)載荷規(guī)范計(jì)算

2.1 規(guī)范計(jì)算方法

目前，主要船級社規(guī)范給出的風(fēng)載荷計(jì)算公式如下[6]:

式中：Cf——風(fēng)壓系數(shù)，船級社之間有所區(qū)別，ABS船級社取0.611；

Ch——暴露在風(fēng)中平臺構(gòu)件的高度系數(shù)，其值可根據(jù)構(gòu)件形心至設(shè)計(jì)水面的垂直距離按規(guī)范確定；

Cs——構(gòu)件的形狀系數(shù)，其值根據(jù)規(guī)范值確定；

S——平臺受風(fēng)構(gòu)件在迎風(fēng)向的投影面積；

Vw——設(shè)計(jì)風(fēng)速。為了便于計(jì)算，作如下假定：

1.5 評估方法 觀察比較患者在臨床藥師干預(yù)前，干預(yù)后3個月，6個月貧血的臨床療效，并記錄干預(yù)期間藥物不良反應(yīng)發(fā)生情況。并對患者的達(dá)標(biāo)率進(jìn)行計(jì)算比較。此外，研究組患者采用問卷調(diào)查方式評價患者對維持性血液透析貧血相關(guān)知識的掌握程度，患者臨床藥師監(jiān)護(hù)前和臨床藥師監(jiān)護(hù)6個月后以相同試題進(jìn)行測試并給予評分，為避免人為因素對結(jié)果的干擾，臨床藥師親自監(jiān)督患者完成答題。每份試卷10題，每題1分，滿分10分，其中＜6分為不合格，＞6分為合格。

1) 任一受風(fēng)構(gòu)件的風(fēng)力與風(fēng)向一致；

2) 風(fēng)力作用在受風(fēng)構(gòu)件的風(fēng)向投影面積的形心上；

3) 在受風(fēng)時, 不考慮立柱或者其他結(jié)構(gòu)之間的相互遮蔽作用；

4) 平臺水上部分所受的風(fēng)力與平臺水下部分的水阻力相平衡；

5) 上述力產(chǎn)生的力偶矩只能使平臺傾側(cè)而不計(jì)平臺繞Z軸旋轉(zhuǎn)的影響；

6) 假定水下阻力中心即為平臺水下部分在風(fēng)速相反方向上的投影面積的形心。

在上述基礎(chǔ)上, 就可以計(jì)算平臺在不同風(fēng)向角及相應(yīng)各傾斜角風(fēng)傾力矩橫截曲線。

2.2 規(guī)范計(jì)算結(jié)果

ZJ400平臺設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算模型與實(shí)際平臺略有差別，計(jì)算模型將實(shí)際平臺的細(xì)小結(jié)構(gòu)及對風(fēng)載影響不大的構(gòu)件略去，主船體簡化為箱體，忽略甲板上設(shè)備與細(xì)結(jié)構(gòu)的影響，如圖1所示。本文設(shè)定整體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于平臺艏部外底面，x軸向后為正，y軸向右為正，z軸向上為正；風(fēng)向角為入射風(fēng)向與x軸的夾角。由于可以認(rèn)為平臺關(guān)于x軸對稱，計(jì)算范圍為順時針0～180o，每隔30o記錄平臺風(fēng)載數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見圖2。除另有指明外，本文所述坐標(biāo)系及其風(fēng)向角、計(jì)算范圍均與本節(jié)一致。

3 CFD數(shù)值模擬

用CFD方法計(jì)算ZJ400自升式鉆井平臺整體所受風(fēng)載荷情況及其各局部結(jié)構(gòu)的單獨(dú)受風(fēng)載荷情況，依據(jù)整體和局部模型風(fēng)載荷模擬結(jié)果進(jìn)行平臺遮蔽效應(yīng)分析。

圖1 規(guī)范計(jì)算模型

圖2 規(guī)范計(jì)算風(fēng)載荷

3.1 控制方程與湍流模型

由于平臺各局部構(gòu)件為鈍體，其擾流問題的控制方程為黏性不可壓N-S方程，基于雷諾平均的控制方程可表示為：

式（2）、（3）中：空氣密度ρ=1.225kg/m3，動力黏性系數(shù)μ=1.7894×105kg/(m?s)。

控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)κε-湍流模型，近壁面條件采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程；應(yīng)用有限體積法離散控制方程；離散方程與湍流度均采用二階迎風(fēng)格式；壓力–速度耦合采用SIMPLE算法。標(biāo)準(zhǔn)κε-湍流模型可寫為：

式(4)、(5)、(6)中：cμ,σk,σε,cε1,cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Pk為浮力和重力引起的湍動能項(xiàng)，式中各項(xiàng)的具體計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[8,9]。

3.2 邊界條件設(shè)定

1) 入口邊界采用速度入口，風(fēng)速v大小沿高度z分布函數(shù)取為：

2) 出口邊界采用壓力出口；

3) 流域頂部、底部和兩側(cè)采用無滑移壁面條件；

4) 壁面采用無滑移壁面條件。

3.3 局部模型風(fēng)載荷

基于平臺的組成特征，分別對主船體、懸臂梁、井架、擋風(fēng)墻樁腿和吊機(jī)等主要構(gòu)件單獨(dú)進(jìn)行局部風(fēng)載荷模擬，表2為局部構(gòu)件模擬結(jié)果。

表2 局部風(fēng)載荷

3.4 整體模型風(fēng)載荷

與單獨(dú)的局部模擬不同，整體計(jì)算時結(jié)構(gòu)之間存在干擾作用，使得流場和壓力場產(chǎn)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受風(fēng)面壓力分布不同，圖3為整體與局部模型水平風(fēng)速矢量對比圖，圖4為整體計(jì)算模型與按局部單獨(dú)計(jì)算求和所得結(jié)果的對比。

圖3 整體與局部模型水平風(fēng)速矢量對比圖

圖4 整體與局部模擬風(fēng)載荷對比圖

3.5 CFD遮蔽效應(yīng)分析

根據(jù)上面的比較結(jié)果可以看出，平臺整體受力遮蔽效應(yīng)在20%～40%之間，在0～90o之間遮蔽效應(yīng)較小，在90～180o之間遮蔽效應(yīng)較大。整體模型結(jié)果與局部模型結(jié)果之間的較大差異，一方面來自于結(jié)構(gòu)之間的遮蔽效應(yīng)，另一方面是局部計(jì)算中加入了結(jié)構(gòu)之間交界面的受力，而在整體模型計(jì)算中這些交界面不受風(fēng)載荷，從而使得局部模型結(jié)果偏大。因此，設(shè)計(jì)時對平臺風(fēng)載荷遮蔽效應(yīng)的考慮有著重大意義。

4 平臺風(fēng)洞試驗(yàn)

為更準(zhǔn)確可靠的獲得ZJ400平臺設(shè)計(jì)的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)，Rowan Williams Davies & Irwin工程顧問公司（RWDI）受中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院委托，對該項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

平臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值計(jì)算模型及實(shí)際平臺在外形上保持幾何相似，采用木質(zhì)材料制作，模型縮尺比為1:200。模型試驗(yàn)在RWDI的2.4m×2.0m邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，分別對平臺作業(yè)工況，風(fēng)暴自存工況和拖航工況進(jìn)行試驗(yàn)，選取其自存工況試驗(yàn)結(jié)果與其他幾種風(fēng)載計(jì)算方法進(jìn)行比較研究。為了研究風(fēng)載荷遮蔽效應(yīng)，除對平臺整體試驗(yàn)外，還對井架、主船體與懸臂梁、樁腿等分別進(jìn)行了單獨(dú)的風(fēng)洞試驗(yàn)，以確定這些部件上風(fēng)載荷靜力系數(shù)。

由風(fēng)載荷的空氣動力學(xué)分析表明，為了使模型試驗(yàn)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況，應(yīng)當(dāng)保證模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的雷諾數(shù)一致，但建筑的邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)一般無法滿足雷諾數(shù)的相似性要求[10]。對有尖銳棱角的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的風(fēng)載荷，雷諾數(shù)的影響在很大范圍內(nèi)是不明顯的，只有對圓柱形或圓弧角構(gòu)件，才可能存在較明顯的雷諾數(shù)影響[11]。對自升式鉆井平臺，絕大多數(shù)構(gòu)件具有尖銳棱角，雷諾數(shù)影響主要反映在樁腿的水平管和撐桿部分。在風(fēng)暴自存狀態(tài)下，暴露于風(fēng)場的樁腿較短，因此雷諾數(shù)的影響可以忽略。

4.2 試驗(yàn)風(fēng)速與風(fēng)向

對自升式鉆井平臺的周圍風(fēng)場是通過在風(fēng)洞工作段前方設(shè)置適當(dāng)?shù)奈闪靼l(fā)生裝置與地面粗糙元進(jìn)行模擬，調(diào)整上述裝置的尺寸及相對距離，使風(fēng)洞中模擬的平均風(fēng)速剖面與紊亂剖面反映典型的海面情況，其中平均風(fēng)速剖面指數(shù)為0.09，與ABS MODU規(guī)范風(fēng)載荷計(jì)算中假設(shè)的風(fēng)剖面一致。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

坐標(biāo)系和風(fēng)向角的定義與上文一致，平臺關(guān)于x軸對稱，試驗(yàn)時每隔30o記錄平臺模型測點(diǎn)的風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)。模型采樣頻率為100Hz，采樣長度為60s，相對實(shí)際尺度為45min，對于平均風(fēng)載荷的測試，已經(jīng)足夠。自存工況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒Y(jié)果如圖5、6所示。

圖5 模型風(fēng)洞試驗(yàn)

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)載荷

5 土木工程方法

5.1 基本原理

基于土木工程對建筑物結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷遮蔽效應(yīng)的處理方法，即對下風(fēng)向有相互遮蔽的結(jié)構(gòu)引入一個角度為7°的楔角，同時修正風(fēng)向與受風(fēng)面的攻角對載荷的影響。該方法的基本原理和過程與規(guī)范計(jì)算類似，為便于計(jì)算處理，取7o的楔角來進(jìn)行遮蔽效應(yīng)修正，計(jì)算模型如圖7所示，風(fēng)載荷計(jì)算公式如下：式(8)中：θ為入射風(fēng)向與構(gòu)件受風(fēng)面水平夾角，其他符號定義與公式(1)一致。

對海洋鉆井平臺有關(guān)風(fēng)載荷的研究表明, 遮蔽效應(yīng)及形狀系數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響顯著[12]。與船級社規(guī)范計(jì)算公式(1)比較可知，式(8)增加了2sinθ項(xiàng)，所以該方法是在規(guī)范計(jì)算方法的基礎(chǔ)上對遮蔽效應(yīng)和形狀系數(shù)均有修正，體現(xiàn)在取7o的遮蔽修正楔角和攻角變化對形狀系數(shù)的修正兩個方面。

5.2 計(jì)算結(jié)果

按照此方法對ZJ400平臺的風(fēng)載荷進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖7 規(guī)范改進(jìn)法計(jì)算模型

圖8 規(guī)范改進(jìn)法計(jì)算風(fēng)載荷

6 風(fēng)載荷結(jié)果分析

通過多種風(fēng)載荷計(jì)算方法和風(fēng)洞試驗(yàn)研究，可以較清楚地看出自升式鉆井平臺風(fēng)載荷隨風(fēng)向角的變化特征，以及各種方法之間存在的差異?？偨Y(jié)0～180o風(fēng)向角ZJ400平臺風(fēng)載荷ABS船級社規(guī)范計(jì)算、CFD數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)和規(guī)范改進(jìn)型方法計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

可見，平臺最危險的工況發(fā)生在60o風(fēng)向角，風(fēng)洞試驗(yàn)、土木工程方法和 CFD數(shù)值模擬所獲得的風(fēng)載隨風(fēng)向變化趨勢一致，土木工程方法計(jì)算值處于其他兩種方法的折中地位。規(guī)范計(jì)算風(fēng)載在整個風(fēng)向范圍內(nèi)是一種偏于安全的考慮，在90～180o入射風(fēng)向范圍有明顯的遮蔽效應(yīng)。若以風(fēng)洞試驗(yàn)作為風(fēng)載比較標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范計(jì)算、CFD模擬和土木工程方法載荷值比試驗(yàn)值大45%、17%和10%，如表3所示。

圖9 ZJ400風(fēng)載荷結(jié)果對比圖

表3 風(fēng)載荷差異度 %

由上述分析可知，土木工程方法對自升式鉆井平臺風(fēng)載荷計(jì)算具有較高的參考價值。

7 結(jié) 語

本文通過分析ZJ400平臺風(fēng)載荷計(jì)算方法及試驗(yàn)研究，明確了自升式鉆井平臺風(fēng)載荷隨風(fēng)向角變化的規(guī)律及遮蔽效應(yīng)程度。創(chuàng)新性地引入土木工程風(fēng)載荷計(jì)算方法，通過風(fēng)洞試驗(yàn)及多種方法論證證實(shí)：土木工程風(fēng)載荷計(jì)算方法對于自升式鉆井平臺風(fēng)載荷計(jì)算具有參考價值。

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