第七代超深水鉆井船環(huán)境烈度因子研究

王金峰，劉仁昌，趙志堅(jiān)，曹 凱，張利軍

(中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著全球石油勘探活動(dòng)逐漸走向深遠(yuǎn)海，對浮式鉆探裝備的要求更加嚴(yán)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(diǎn)，相比半潛式鉆井平臺,其續(xù)航能力強(qiáng)、排水量大，能夠裝載更多的物資和材料，適合遠(yuǎn)海作業(yè)，同時(shí)鉆井船機(jī)動(dòng)性好，可快速地在不同作業(yè)地點(diǎn)和作業(yè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算須分別考慮鉆井作業(yè)、風(fēng)暴自存、遷移三種作業(yè)情況下的環(huán)境條件，同時(shí)鉆井船的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的初始設(shè)計(jì)需要按照美國船級社《鋼制船舶入級與建造規(guī)范》(以下簡稱“船規(guī)”)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在“船規(guī)”中，波浪載荷設(shè)計(jì)值的計(jì)算環(huán)境條件為北大西洋20 a一遇的海況，這與鉆井船在作業(yè)、自存、遷移三種情況下的海況條件不同，所以這里引入環(huán)境烈度因子概念。通過烈度因子修正“船規(guī)”中的波浪載荷設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)鉆井船在指定作業(yè)海域和海況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。美國船級社在內(nèi)部研究報(bào)告中對浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)的環(huán)境烈度因子計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，國內(nèi)也有相關(guān)學(xué)者對浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置的環(huán)境烈度因子進(jìn)行了大量的研究，但對于鉆井船環(huán)境烈度因子的計(jì)算方法國內(nèi)尚無相關(guān)文獻(xiàn)可供參考。

本文對美國船級社“指南”中環(huán)境烈度因子計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，同時(shí)基于該規(guī)范對第七代超深水鉆井船的環(huán)境烈度因子進(jìn)行了計(jì)算并對該因子的計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行了說明，為此類船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析提供了參考。

1 環(huán)境烈度因子計(jì)算原理

環(huán)境烈度因子β由特殊作業(yè)場地下的動(dòng)載荷極值Ls和北大西洋無限航區(qū)海況條件下的動(dòng)載荷極值Lu直接決定。用于環(huán)境烈度因子計(jì)算的各個(gè)波浪載荷成分基于三維線性勢流理論方法[1]進(jìn)行計(jì)算，通過求解船舶六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[2]以及濕表面壓力求得剖面載荷與運(yùn)動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行長短期分析。計(jì)算軟件采用基于三維線性勢流理論的美國船級社計(jì)算軟件SEAS軟件?！爸改稀敝薪o出的用于強(qiáng)度分析的環(huán)境烈度因子的計(jì)算公式如下：

(1)

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

不同環(huán)境烈度因子的分類見表1。

本文在進(jìn)行波浪載荷與運(yùn)動(dòng)幅頻響應(yīng)算子(RAO)[3]的計(jì)算時(shí)，作業(yè)工況取為三種：作業(yè)工況、遷移工況、風(fēng)暴自存工況。計(jì)算工況按照美國船級社“指南”要求進(jìn)行選取，計(jì)算工況中的裝載必須能夠代表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的危險(xiǎn)情況與結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)吃水保持一致?；谝陨显瓌t，這里選取所有工況中的最大吃水時(shí)的滿載工況進(jìn)行計(jì)算。

表1 環(huán)境烈度因子分類

計(jì)算中，考慮所有的浪向角同時(shí)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(zhuǎn)動(dòng)為正)，浪向間隔15°。根據(jù)鉆井船作業(yè)特點(diǎn)，浪向概率按照等概率進(jìn)行計(jì)算。

本文選取波浪角頻率的計(jì)算范圍為0.2 ～1.8 rad/s，間隔0.05 rad/s，對應(yīng)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(yù)報(bào)的長短期分析方法

根據(jù)超深水鉆井船的作業(yè)工況特點(diǎn)，其在指定地點(diǎn)作業(yè)工況下既要進(jìn)行基于波浪散布圖的長期分析，同時(shí)也要考慮作業(yè)時(shí)的極限短期海況，此時(shí)需要對指定作業(yè)地點(diǎn)的長期載荷極值與短期極值載荷進(jìn)行對比，取其大者進(jìn)行烈度因子的計(jì)算。對于風(fēng)暴自存工況只對短期的極限風(fēng)暴海況進(jìn)行分析。

短期預(yù)報(bào)[4]是指分析時(shí)間發(fā)生在半小時(shí)到數(shù)小時(shí)之內(nèi)。在數(shù)小時(shí)的時(shí)間段內(nèi)可以認(rèn)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(yīng)譜。在短期分析時(shí)，可以認(rèn)為波浪載荷的幅值滿足瑞麗分布，其概率密度函數(shù)f(x)與分布函數(shù)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(rèn)為短期統(tǒng)計(jì)時(shí)間為3 h，n為3 h內(nèi)載荷的平均循環(huán)次數(shù)。短期統(tǒng)計(jì)特征最大值在n次載荷循環(huán)中僅出現(xiàn)一次超越此值：

(4)

(5)

式中：xmax為短期統(tǒng)計(jì)特征最大值。

長期預(yù)報(bào)[4]相比短期來說，時(shí)間更長，可以為一年、幾年或是整個(gè)生命周期內(nèi)，在這期間船舶的航行、裝載、航速、海況都發(fā)生了變化。長期分析可以認(rèn)為是很多短期的組合。

船舶運(yùn)動(dòng)或波浪載荷幅值y的長期概率密度f(y)是對應(yīng)的短期概率密度f0(y)的加權(quán)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(shù)代表某海況出現(xiàn)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(shí)間內(nèi)波浪載荷響應(yīng)的平均循環(huán)次數(shù)。

3 環(huán)境烈度因子在校核中的應(yīng)用

環(huán)境烈度因子β可以修正規(guī)范總縱彎矩、剪力從而影響船體剪切面積與剖面模數(shù)；通過修正規(guī)范中液艙水壓力等局部載荷，從而影響結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件尺寸?；诃h(huán)境烈度因子修正原理，也可實(shí)現(xiàn)采用船舶三艙段計(jì)算方法進(jìn)行指定作業(yè)地點(diǎn)環(huán)境條件下的總體強(qiáng)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(huán)境烈度因子；k1，k2為規(guī)范修正系數(shù)，k1=110，k2=190；C1為與船長相關(guān)系數(shù)，取為10.5；L為船長；B為船寬；Cb為方形系數(shù)。

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(jì)算點(diǎn)位置和相位相關(guān)的系數(shù)；ku為載荷系數(shù)，通常取1；hde為水動(dòng)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(biāo)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(guī)鉆井船的鉆井功能外，目標(biāo)船帶有初期的試采與儲(chǔ)油功能為典型的船形海工結(jié)構(gòu)。該船作業(yè)水深3 600 m，鉆井深度可達(dá)15 200 m。目標(biāo)船主要作業(yè)海域?yàn)槟虾?，同時(shí)具備在巴西、西非海域作業(yè)的能力，具備全球航行能力，所以其在航行工況時(shí)需要滿足北大西洋20 a一遇海況條件。

本文首先對用于構(gòu)件尺寸初始設(shè)計(jì)以及總縱強(qiáng)度分析[7]的幾個(gè)典型環(huán)境烈度因子進(jìn)行了計(jì)算，其次分別按照三種作業(yè)工況下的不同海況條件以及北大西洋海況進(jìn)行了波浪載荷以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的長短期分析，最終通過比較得出對應(yīng)各個(gè)控制載荷的環(huán)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(wǎng)格的正交性。水動(dòng)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(zhì)量模型劃分為20站，精確統(tǒng)計(jì)每一站船體的重量、重心以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，保證船體實(shí)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(jì)算位置選取

計(jì)算點(diǎn)位置的選取遵循滿足所選位置的控制載荷[5]為最危險(xiǎn)位置，同時(shí)要與美國船級社“船規(guī)”公式中的波浪載荷或運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算位置保持一致，以保證計(jì)算得到的環(huán)境烈度因子能夠真實(shí)反映指定作業(yè)海域的海況條件，保證烈度因子能夠準(zhǔn)確地修正“船規(guī)”中的載荷，滿足“指南”中的要求。典型的用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸初始設(shè)計(jì)的載荷計(jì)算位置見表3。

表3典型控制載荷計(jì)算位置m

控制載荷計(jì)算點(diǎn)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(jì)算條件

船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸基于結(jié)構(gòu)吃水進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文選取鉆井船最大吃水時(shí)的滿載工況作為環(huán)境烈度因子的計(jì)算工況，吃水選取結(jié)構(gòu)吃水12.5 m。

作業(yè)工況Ls的計(jì)算，選取短期海況有義波高8.5 m，平均跨零周期7～10 s;風(fēng)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(biāo)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(jì)算Lu時(shí)的海況相同。在作業(yè)工況中同時(shí)選取指定南海作業(yè)地點(diǎn)的波浪散布圖進(jìn)行長期分析，回歸周期取為1 a一遇。計(jì)算中短期海況的波浪譜采用JONSWAP譜，參數(shù)γ取3.3。

計(jì)算Lu時(shí)選取北大西洋散布圖進(jìn)行設(shè)計(jì)載荷的長期分析，回歸周期取為20 a。

4.4 鉆井船典型運(yùn)動(dòng)與載荷幅頻響應(yīng)算子

基于水動(dòng)力分析Precal軟件，計(jì)算得到目標(biāo)鉆井船典型的載荷與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖2～圖5所示。

4.5 典型控制載荷烈度因子計(jì)算結(jié)果

在船舶波浪載荷計(jì)算[6]中，作業(yè)工況載荷通常以長期統(tǒng)計(jì)值作為設(shè)計(jì)值，而短期值作為參考。為保證環(huán)境烈度因子選取的準(zhǔn)確性，這里作業(yè)工況分別針對短期與長期環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算，選取最大值作為Ls的計(jì)算值。通常短期3 h海況更能合理地描述短期風(fēng)暴環(huán)境，所以自存工況采用短期分析值作為Ls計(jì)算值。本文所選目標(biāo)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(shè)計(jì)海況條件。

本文以總縱強(qiáng)度相關(guān)的四個(gè)環(huán)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(yè)工況各個(gè)控制載荷長短期值的比較過程，其結(jié)果見表4。

風(fēng)暴自存工況與遷移工況的環(huán)境烈度因子分別見表5、表6。

圖2 垂向波浪彎矩幅頻響應(yīng)算子

圖3 垂向波浪剪力幅頻響應(yīng)算子

圖4 垂向波浪剪力幅頻響應(yīng)算子

圖5 水平波浪剪力幅頻響應(yīng)算子

控制載荷指定作業(yè)地點(diǎn)載荷極值Ls北大西洋海況載荷極值Lu烈度因子ESF短期統(tǒng)計(jì)值(指定短期海況)長期統(tǒng)計(jì)值(指定作業(yè)地點(diǎn)散布圖)長期統(tǒng)計(jì)(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(fēng)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(yè)工況的環(huán)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(yè)工況的長短期海況條件烈度要小于北大西洋海況條件，因?yàn)樽鳂I(yè)工況下的海況需滿足鉆井船鉆井作業(yè)需要，其極限海況一般會(huì)小于北大西洋海況。而在風(fēng)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(shè)計(jì)風(fēng)暴海況相比北大西洋海況對于目標(biāo)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(huán)境條件與北大西洋海況的烈度一致。

5 結(jié)論

(1)采用環(huán)境烈度因子方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始構(gòu)件尺寸確定階段就可以充分考慮指定作業(yè)地點(diǎn)海況下的載荷烈度，從而在設(shè)計(jì)循環(huán)初期就給出較為合理的結(jié)構(gòu)初始尺寸。

(2)對于鉆井船類船形海工結(jié)構(gòu)，一般風(fēng)暴自存工況中部分控制載荷的烈度會(huì)大于基于北大西洋海況的計(jì)算結(jié)果，對于此類控制載荷風(fēng)暴自存工況為主控設(shè)計(jì)工況，而其他控制載荷應(yīng)取北大西洋海況計(jì)算結(jié)果，即載荷值最小不能小于北大西洋海況的計(jì)算值。

(3)本文將美國船級“指南”中提出的環(huán)境烈度因子計(jì)算方法應(yīng)用于目標(biāo)第七代超深水鉆井船設(shè)計(jì)中，可為同類船舶的環(huán)境烈度因子計(jì)算提供參考。

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