半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波浪載荷研究＊

李紅濤 鄧賢鋒

（中國船級(jí)社海洋工程技術(shù)中心 天津 300457）

半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波浪載荷研究＊

李紅濤 鄧賢鋒

（中國船級(jí)社海洋工程技術(shù)中心 天津 300457）

在深入研究設(shè)計(jì)波方法的基礎(chǔ)上，提出了適合于半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的確定性設(shè)計(jì)波法、隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法和長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法，并結(jié)合DNV規(guī)范提出的6個(gè)特征載荷工況給出了半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波浪載荷具體計(jì)算方法及流程。以實(shí)際半潛式平臺(tái)為例，根據(jù)其作業(yè)海域，將3種設(shè)計(jì)波方法應(yīng)用于波浪載荷計(jì)算，并進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，本文提出的方法可為半潛式平臺(tái)的波浪載荷計(jì)算提供參考，對半潛式平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

半潛式平臺(tái)；波浪載荷；確定性設(shè)計(jì)波法；隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法；長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法

作為一種重要的海上移動(dòng)式平臺(tái)，半潛式平臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)性能良好、適應(yīng)較惡劣的海況條件、工作水深大、可變載荷高等顯著優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為深海油氣開發(fā)的主要裝備［1］。在進(jìn)行半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的主要環(huán)境載荷為波浪載荷，風(fēng)載荷和流載荷可忽略不計(jì)。半潛式平臺(tái)處于隨機(jī)海浪作用下，波浪載荷具有隨機(jī)性和復(fù)雜動(dòng)力性，難以精確計(jì)算，因此選取合理可行的方法計(jì)算平臺(tái)波浪載荷對半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要［2］。本文提出了適合于半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3種設(shè)計(jì)波方法，即確定性設(shè)計(jì)波法、隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法和長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法，結(jié)合DNV規(guī)范給出的6個(gè)特征載荷工況給出了半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波浪載荷具體計(jì)算方法及流程；以一個(gè)實(shí)際半潛式平臺(tái)為例，根據(jù)其作業(yè)海域，將3種設(shè)計(jì)波方法應(yīng)用于波浪載荷計(jì)算，并進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明本文提出的設(shè)計(jì)波計(jì)算方法可為半潛式平臺(tái)的波浪載荷計(jì)算提供參考，對半潛式平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 半潛式平臺(tái)特征載荷工況

根據(jù)DNV RP－C103建議［3］，半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮波浪特征載荷工況，即根據(jù)平臺(tái)的實(shí)際構(gòu)造特征選擇6種危險(xiǎn)的波浪載荷工況（表1），各波浪特征載荷響應(yīng)如圖1所示。

表1 半潛式平臺(tái)波浪特征載荷工況Table 1 Wave characteristic load condition of semi－submersible platform

圖1 半潛式平臺(tái)波浪特征載荷響應(yīng)Fig.1 Wave characteristic load responses of semi－submersible platform

2 波陡計(jì)算方法

2.1 規(guī)則波波陡

規(guī)則波波陡S按如下公式［3］計(jì)算：

式（1）中：H為規(guī)則波高；T為規(guī)則波周期。DNV規(guī)范中提出的百年一遇規(guī)則波波陡S的計(jì)算公式為

式（2）中：H100為百年一遇最大規(guī)則波高，全球海況的H100＝32 m［3］。

2.2 不規(guī)則波波陡

不規(guī)則波也就是隨機(jī)波，一般用短期海況（Hs，Tz）為代表參數(shù)的波譜進(jìn)行描述。對于半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)，波譜形式一般采用JONSWAP波譜，其表達(dá)形式可參見文獻(xiàn)［4］。DNV規(guī)范中，不規(guī)則波波陡Ss的計(jì)算公式為［3］

式（3）中：Hs為有義波高（DNV推薦的全球海域100年重現(xiàn)期的最大有義波高Hs＝17.3 m）；Tz為平均跨零周期。DNV規(guī)范中提出的百年一遇不規(guī)則波波陡Ss的計(jì)算公式為［3］

3 設(shè)計(jì)波方法具體步驟

所謂設(shè)計(jì)波，一般是指依據(jù)波浪載荷等效的原則并按照某種波浪理論構(gòu)造的規(guī)則波列。通過對波高、周期、波浪入射角以及波浪相位角的組合搜索使結(jié)構(gòu)物處于最不利狀態(tài)且達(dá)到一定回復(fù)期的最大載荷，從而得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)波參數(shù)［2］。對于半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)波浪載荷的重現(xiàn)期，一般不低于100年［3］。本文對設(shè)計(jì)波方法進(jìn)行了深入的研究，并明確給出了確定性設(shè)計(jì)波法、隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法和長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法的具體計(jì)算方法和步驟。

3.1 確定性設(shè)計(jì)波法

確定性設(shè)計(jì)波法主要基于表1規(guī)定的半潛式平臺(tái)的特征載荷工況，利用最大規(guī)則波波陡構(gòu)造出相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則波高和周期。具體步驟如下：

1）根據(jù)半潛式平臺(tái)的外形尺寸及表1中規(guī)定的特征載荷工況，確定6個(gè)特征載荷工況的關(guān)鍵波浪入射方向和波長（周期）；

2）計(jì)算6個(gè)特征載荷工況的響應(yīng)幅值算子（RAO），規(guī)則波周期范圍為3～25 s，在峰值周圍周期應(yīng)以0.2～0.5 s為步長，遠(yuǎn)離峰值周期以1～2 s為步長；

3）在規(guī)則波浪周期3～15 s區(qū)間范圍［5］內(nèi)，以1 s為步長，根據(jù)式（2）給出的波陡值，通過式（1）計(jì)算生成一系列規(guī)則波（H，T），H一般不超過百年一遇最大規(guī)則波波高H100；

4）由上述（3）得到的規(guī)則波波高H分別乘以對應(yīng)周期下的RAO，得到響應(yīng)的特征載荷響應(yīng)；

5）特征載荷最大響應(yīng)值對應(yīng)的規(guī)則波（H，T）即為設(shè)計(jì)波波高和周期，波浪入射角和相位角由對應(yīng)的最大RAO確定。

3.2 隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法

隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法應(yīng)用不規(guī)則波譜進(jìn)行特征載荷的預(yù)報(bào)，也稱之為譜分析方法。具體步驟如下：

1）根據(jù)半潛式平臺(tái)的外形尺寸及表1中規(guī)定的特征載荷工況，確定6個(gè)特征載荷工況的關(guān)鍵波浪入射方向和波長（周期）；

2）計(jì)算6個(gè)特征載荷工況的RAO，規(guī)則波周期范圍為3～25 s，峰值周圍周期應(yīng)以0.2～0.5 s為步長，遠(yuǎn)離峰值周期以1～2 s為步長；

3）在不規(guī)則波浪周期3～18 s區(qū)間范圍內(nèi)，以1 s為步長，根據(jù)式（4）給出的波陡值，通過式（3）計(jì)算生成一系列不規(guī)則波（Hs，Tz），Hs一般不超過百年一遇最大有義波高，此不規(guī)則波波譜一般采用JONSWAP波譜；

4）應(yīng)用上述（2）、（3）得到的RAO及波浪譜，計(jì)算得到如下的響應(yīng)譜：

式（5）中：Sw（ω）為波浪譜。因此，某一短期海況下載荷響應(yīng)的最大可能值Rmax可由下式求得：

5）設(shè)計(jì)波波幅AD由i個(gè)短期海況預(yù)報(bào)的（Rmax）i的最大值R′max與單位波幅最大響應(yīng)RAOC比值得到

式（7）中：LF為載荷系數(shù)，一般取值在1.1～1.3之間［5］，本文取值1.1。最終，（H＝2AD，T）即為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的設(shè)計(jì)規(guī)則波，此時(shí)T為RAO最大值對應(yīng)的周期。

3.3 長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法

長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法是在假定各個(gè)短期海況載荷變量服從Rayleigh分布的基礎(chǔ)上，綜合考慮了各個(gè)短期海況本身的概率而得到的長期概率分布。長期預(yù)報(bào)認(rèn)為各種不同海況組成的短期預(yù)報(bào)相互獨(dú)立，波浪特征載荷的長期分布是各短期概率分布的加權(quán)組合。具體步驟如下：

1）根據(jù)半潛式平臺(tái)的外形尺寸及表1規(guī)定的特征載荷工況，確定6個(gè)特征載荷工況的關(guān)鍵波浪入射方向和波長（周期）；

2）針對每一個(gè)特征載荷變量x，計(jì)算波浪散布圖中的每一短期海況下的Rayleigh概率分布，具體計(jì)算過程可參照隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法中的步驟（4）；

3）計(jì)算每一個(gè)特征載荷變量x的長期概率分布，即波浪特征載荷變量x大于某一定值X0的超越概率，即

式（8）中：pi（Hs，Tz）為短期海況（Hs，Tz）出現(xiàn)的概率，一般由波浪散布圖得到；pj（β）為波浪入射角出現(xiàn)的概率。

對于波浪特征載荷的長期預(yù)報(bào)，也可以采用二參數(shù)的Weibull分布，即FL（x）＝1－exp（－x/q）h進(jìn)行擬合，其中FL（x）為波浪特征載荷x的概率分布函數(shù)，q為尺度參數(shù)，h為形狀參數(shù)。

4）按照百年一遇的波浪載荷重現(xiàn)期，可以計(jì)算出重現(xiàn)期內(nèi)循環(huán)次數(shù)N，從而得到具有1/N超越概率的波浪特征載荷值。

5）最大預(yù)報(bào)載荷值與RAO最大值的比值作為設(shè)計(jì)波波幅，周期與RAO最大值對應(yīng)值相同，最終得到設(shè)計(jì)規(guī)則波（H，T）。

4 算例分析

4.1 平臺(tái)基本參數(shù)及計(jì)算條件

算例平臺(tái)為在南海作業(yè)的某半潛式鉆井平臺(tái)，設(shè)有2個(gè)下浮體，6根立柱，立柱間有橫向和斜向的撐管，立柱和撐管共同支撐主甲板；主甲板上設(shè)有鉆臺(tái)、井架、吊車等鉆井設(shè)備以及生活樓、直升機(jī)甲板等設(shè)施。該平臺(tái)的基本參數(shù)如表2所示。應(yīng)用AQWA軟件預(yù)報(bào)水動(dòng)力載荷和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，算例平臺(tái)的濕表面模型和質(zhì)量模型如圖2、3所示。

表2 本文算例平臺(tái)基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the example platform

圖2 本文算例平臺(tái)濕表面模型Fig.2 Hydrodynamic panel model of the example platform

圖3 本文算例平臺(tái)質(zhì)量模型Fig.3 Mass model of the example platform

4.2 波浪特征載荷RAO

計(jì)算表1所列波浪特征載荷RAO，浪向區(qū)間0°～180°，步長22.5°，周期取3～30 s，其中4～18 s之間間隔0.5 s，20～30 s之間間隔2 s。6個(gè)波浪特征載荷的RAO如圖4所示。

4.3 波浪輸入條件

對于確定性設(shè)計(jì)波法，規(guī)則波周期取3～20 s，以0.5 s為步長，由式（1）、（2）確定一系列輸入規(guī)則波，根據(jù)南海某半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)海域，百年一遇最大規(guī)則波波高為30.69 m；對于隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法，不規(guī)則波浪周期取3～20 s，以0.5 s為步長，由式（3）、（4）確定一系列JONSWAP波譜，百年一遇最大有義波高為16.5 m；對于長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法，波浪散布圖取自DNV推薦的全球海域統(tǒng)計(jì)的第62海域波浪散布圖（南海海域）［6］。

4.4 結(jié)果分析與討論

依據(jù)3種設(shè)計(jì)波方法分別對南海某半潛式鉆井平臺(tái)的波浪特征載荷進(jìn)行了計(jì)算。表3為3種設(shè)計(jì)波方法下南海某半潛式鉆井平臺(tái)的特征載荷預(yù)報(bào)最大值，表4為3種設(shè)計(jì)波方法確定的南海某半潛式鉆井平臺(tái)最終設(shè)計(jì)波參數(shù)。

從表3、4數(shù)據(jù)可以看出：

1）確定性設(shè)計(jì)波法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)波周期和波高一般都大于其他2種方法，因?yàn)樵赗AO的最大值附近，隨著周期增加，波高增大，從而確定性設(shè)計(jì)波法的波浪特征載荷也隨之增大；

2）從計(jì)算結(jié)果上看，確定性設(shè)計(jì)波法得到的波高大于隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法的結(jié)果，隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法結(jié)果大于長期預(yù)報(bào)的結(jié)果，這符合計(jì)算精度越大、計(jì)算值越小的趨勢；

3）確定性設(shè)計(jì)波法計(jì)算簡單，設(shè)計(jì)波波高也較大，偏于保守，適合設(shè)計(jì)初期的估算；隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法和長期預(yù)報(bào)結(jié)果較為接近，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，工程上推薦使用隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法；

圖4 本文算例平臺(tái)波浪特征載荷RAOFig.4 Wave characteristic load RAOs of the example platform

表3 不同設(shè)計(jì)波方法下本文算例平臺(tái)波浪特征載荷Table 3 Wave characteristic loads of the example platform for different design wave methods

表4 不同設(shè)計(jì)波方法確定的本文算例平臺(tái)設(shè)計(jì)波參數(shù)Table 4 Design wave parameters of the example platform for different design wave methods

4）波浪條件是計(jì)算最終波浪載荷大小的重要參數(shù)，因此設(shè)計(jì)半潛式平臺(tái)之初，應(yīng)充分考慮平臺(tái)作業(yè)海域的環(huán)境條件，確定合適的波陡參數(shù)和最大波高，這是決定半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)束語

本文提出了適合于半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3種設(shè)計(jì)波方法，并以一個(gè)實(shí)際半潛式平臺(tái)為例，應(yīng)用3種設(shè)計(jì)波方法計(jì)算了波浪載荷，其對比分析結(jié)論對于半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。需要注意的是，半潛式平臺(tái)的波浪載荷只是全部載荷的一部分，重力載荷、靜水載荷也是平臺(tái)載荷的重要組成部分［7］，在平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要一并考慮。至于局部載荷，如液艙壓頭、局部甲板載荷、局部波浪抨擊等，需要在局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)詳細(xì)考慮。

［1］范模.深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用前景［J］.中國海上油氣，2012，24（6）：54－57.

Fan Mo.The overall design solution and application foreground of semi－submersible production platform in deep sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2012，24（6）：54－57.

［2］WANG Yanying.Discussion on the parameters of design waves［J］.Journal of Marine Science and Application，2008，7（3）：163－167.

［3］DNV.Column－stabilized units［S］.DNV－RP－C103，2012：23－30.

［4］竺艷蓉.海洋工程波浪力學(xué)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1991：189.Zhu Yanrong.Ocean engineering wave mechanics［M］.Tianjin：Tianjin University Press，1991：189.

［5］ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］.2014：113.

［6］DNV.Environmental conditions and environmental loads［S］.DNV－RP－C205，2010：114.

［7］白艷彬.深水半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度分析及疲勞強(qiáng)度評(píng)估［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009：15－25.Bai Yanbin.Study on global strength analysis and fatigue strength assessment for deep－water semi－submersible drilling unit［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2009：15－25.

Study on wave loads for global structural design of semi－submersibles

Li Hongtao Deng Xianfeng
（Offshore Engineering Technology Center of CCS，Tianjin300457，China）

Wave loads are the main type of environmental loads for a semi－submersible platform and the design wave method is usually used for global structural design.Three design wave methods，i.e.，the deterministic method，stochastic method and long－term forecasting method，are proposed for the global structural design of semi－submersibles.Moreover，based on the six characteristic load cases proposed by DNV specifications，the detailed wave load computation process is given for the design.Finally，as an example，the wave loads for a semi－submersible operating in actual sea area are calculated with the three different design wave methods.It is showed that the method proposed in this paper may be helpful to wave load calculation and of guidance on global structural design of semi－submersible platforms.

semi－submersible；wave load；deterministic design wave method；stochastic design wave method；long－term prediction design wave method

P752

A

2014－06－10改回日期：2014－11－03

（編輯：葉秋敏）

李紅濤，鄧賢鋒.半潛式平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波浪載荷研究［J］.中國海上油氣，2015，27（2）：98－103.

Li Hongtao，Deng Xianfeng.Study on wave loads for global structural design of semi－submersibles［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：98－103.

1673－1506（2015）02－0098－06

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.017

＊工信部深海半潛式鉆井平臺(tái)工程開發(fā)科研基金資助項(xiàng)目（工信部裝［2009］382號(hào)）部分研究成果。

李紅濤，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)物研究和審圖工作。地址：天津開發(fā)區(qū)南海路11號(hào)明珠園A座（郵編：300457）。電話：022－66216618。E－mail：htli＠ccs.org.cn。