液艙建模方法對深水半潛式平臺總體強度評估的影響*

吉華宇 劉 俊 周 佳 王 璞

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室 上海 200240； 2.上海交通大學(xué)高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 上海 200240；3.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011)

深水半潛式鉆井平臺是深海油氣勘探和開發(fā)的主要裝備之一。由于運行環(huán)境復(fù)雜惡劣，必須對其總體強度進行評估以確保其結(jié)構(gòu)安全[1]。平臺作業(yè)過程中液艙內(nèi)的自由液面會由于平臺的運動而產(chǎn)生水動力效應(yīng)，目前在對平臺進行總體強度評估時主要采用質(zhì)量點或液艙模型來模擬。為簡化起見，工程上可將液艙內(nèi)液體的重量用耦合質(zhì)量點單元進行模擬，不考慮液艙內(nèi)液體在平臺運動時對艙壁產(chǎn)生的水動壓力。文獻[2]采用液艙模型對半潛式平臺進行了總體強度分析；文獻[3]考慮液艙內(nèi)水動力的影響，對全動態(tài)模擬方法進行了介紹，并以某駁船為例對液艙模型準靜態(tài)方法和全動態(tài)模擬方法進行了對比;文獻[4]采用質(zhì)量點和全動態(tài)液艙2種方法對FPSO模型的波浪載荷及船體運動進行了計算比較，發(fā)現(xiàn)半載液艙長度增加時液艙內(nèi)部水動力對船體的影響增大。質(zhì)量點建模方式簡單，可以反映液艙裝載質(zhì)量分布，但不能考慮液艙內(nèi)水壓力，對結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力水平會有所影響。上述研究主要針對船舶液艙開展討論,而深水半潛式平臺尺寸較大，立柱和浮箱內(nèi)液艙眾多，因此有必要針對液艙的不同建模方法，考察其對平臺結(jié)構(gòu)強度評估的影響，明確不同方法模擬的差異及其大小。

本文以我國某第6代深水半潛式平臺為目標平臺，采用質(zhì)量點模型、液艙模型(準靜態(tài)法)及考慮液艙內(nèi)部水動力效應(yīng)的液艙模型(全動態(tài)法)等3種液艙建模方式對平臺進行水動力計算，比較了平臺在不同建模方式下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析了不同方法的計算結(jié)果的差異，討論了液艙建模方式對平臺總體強度評估的影響。

1 液艙模擬方式及全動態(tài)理論簡介

目前對液艙可采用質(zhì)量點建?；蚪柚鷮I(yè)軟件通過定義液艙模型來模擬，其中液艙模型可選擇是否考慮內(nèi)部的水動力效應(yīng)[5]，因此液艙建模方式可分為質(zhì)量點模型(準靜態(tài)方法)、液艙模型(準靜態(tài)方法)和液艙模型(全動態(tài)方法)等3種。

采用液艙模型模擬時，準靜態(tài)方法將液艙內(nèi)液貨看作固體進行運動及載荷計算，而全動態(tài)方法除了考慮平臺外部流場的勢流運動外，還計算平臺各個液艙內(nèi)部的勢流運動，并考慮液艙內(nèi)自由液面運動的輻射問題及其對平臺運動回復(fù)力的貢獻。由于沒有波浪能輻射到液艙外部，液艙內(nèi)部流體不存在勢能衰減的問題[4]。

對于理想流體勢流問題，無限域自由液面的邊界條件為

(1)

式(1)中：φj為6個方向上的速度勢，其中j代表6個不同的方向；ω為簡諧運動的圓頻率；g為重力加速度；z為垂向坐標。

對于液艙內(nèi)部流體域，由于不存在遠處來流的影響，無須計算繞射問題，只須解決邊界值問題以及輻射問題。另外，由于液艙內(nèi)部液面存在垂向的運動速度，增加速度勢φp為

(2)

另有

(3)

(4)

式(3)、(4)中：p為流體內(nèi)部各點壓力；ρ為流場密度；t為時間;φ為速度勢。

通過對各個液艙以及外部流場的邊界值問題進行求解，可以得到各個流場的速度勢，進而可以計算液艙內(nèi)部的水壓力[6-7]。

2 目標平臺及計算模型

目標平臺為我國某第6代深水半潛式平臺，其中上部平臺為箱式甲板結(jié)構(gòu)，采用4個立柱支撐，左右兩側(cè)立柱間各有2個橫撐支持；水下部分為雙浮箱結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，水動力模型用于模擬平臺的濕表面。對于準靜態(tài)方法，只須建立平臺外部與波浪接觸的結(jié)構(gòu)濕表面(圖1a)；而對于全動態(tài)方法，還須建立所有液艙的濕表面來模擬內(nèi)部的水動力(圖1b)，液艙的裝載情況可根據(jù)裝載手冊來定義。對于質(zhì)量點方法，采用耦合質(zhì)量點均勻地施加在液艙底板上，并通過設(shè)置偏心模擬液艙重心。另外，質(zhì)量模型可采用結(jié)構(gòu)模型代替，3種液艙建模方式下平臺的重心一致。

圖1 某第6代深水半潛式平臺水動力模型Fig.1 Hydrodynamic model of a 6th generation deepwater semi-submersible platform

3 對平臺總體強度評估的影響分析

3.1 計算工況

根據(jù)DNV[8]和ABS[9]等相關(guān)規(guī)范，選取中縱剖面橫向力(Fs)、中縱剖面扭矩(Mt-L)、中縱剖面縱向剪力(FL)、中橫剖面垂向彎矩(MV-T)、甲板單位質(zhì)量橫向慣性力(aT)、甲板單位質(zhì)量縱向慣性力(aL)和垂向加速度(aV)等7個危險特征載荷進行計算。

3.2 典型波浪載荷和設(shè)計波參數(shù)

計算得到平臺典型波浪載荷的傳遞函數(shù)，3種液艙建模方式下典型波浪載荷RAO基本一致(圖2)。

根據(jù)海域環(huán)境條件對平臺進行短期預(yù)報，由典型波浪載荷的短期極值得到設(shè)計波參數(shù)，3種液艙建模方式得到的設(shè)計波參數(shù)非常接近(表1)。

由圖2、表1可以看出，液艙建模方式對半潛式平臺水動力預(yù)報影響較小。半潛式平臺較小的水線面面積使其具有良好的水動力性能[10]，在波浪作用下平臺的六自由度運動相對較小，從而對液艙內(nèi)部的勢流運動影響很小。除此之外，半潛式平臺的浮箱被分隔成多個艙室，導(dǎo)致液艙內(nèi)的自由液面相對較小，液艙內(nèi)部的水動力對平臺典型波浪載荷的影響也越小。半潛式平臺的浮箱多為單殼結(jié)構(gòu)，液艙內(nèi)部的水壓力相比外部的波浪壓力小很多，其產(chǎn)生的影響更是微乎其微，可以忽略。

圖2 某第6代深水半潛式平臺典型波浪載荷RAOFig.2 RAO of typical wave load of a 6th generation deepwater semi-submersible platform

表1 3種液艙建模方式下某第6代深水半潛式平臺的設(shè)計波參數(shù)對比Table 1 Comparison of design wave parameters among three modeling methods for a 6th generation deepwater semi-submersible platform

3.3 平臺主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力

針對液艙模型，以工況LC3為例比較準靜態(tài)法和全動態(tài)法下液艙艙壁動壓力的分布情況(圖3、4)。由圖3可以看出，液艙裝載40%時兩者的動壓力區(qū)間基本相同，但是動壓力的分布情況有所差異。由圖4可以看出，液艙滿載狀態(tài)下兩者的動壓力分布情況類似。

LC3工況下3種方法平臺的總體應(yīng)力分布差別不大。由液艙Tank1p_1的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖(圖5)可以看出，液艙結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力分布稍有差異，其中質(zhì)量點模型差異相對較大。

選取應(yīng)力較大的3個工況，將其各主要構(gòu)件的應(yīng)力以及部分液艙的局部應(yīng)力進行對比(表2)，其中“液艙準靜態(tài)”和“質(zhì)量點”列數(shù)據(jù)為兩者計算結(jié)果與液艙全動態(tài)法結(jié)果相比較得到的相對差。

由表2可以看出，質(zhì)量點方法與另2種液艙模型方法差異略大，一般情況下質(zhì)量點模型局部應(yīng)力會偏大一點，但總體來講3種液艙建模方式得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平比較一致。從液艙局部結(jié)構(gòu)來看，建模方式還是有一定影響，少數(shù)液艙局部應(yīng)力相差較大，如Tank1p_1和Tank1s_1;尤其當液艙位于平臺的關(guān)鍵連接部位時，考慮到計算結(jié)果的準確性，采用液艙模型更為合理。

圖3 某第6代深水半潛式平臺液艙Tank31p的動壓力(裝載40%)Fig.3 Dynamic pressure of Tank31p for a 6th generation deepwater semi-submersible platform(load:40%)

圖4 某第6代深水半潛式平臺液艙Tank11s的動壓力(滿載)Fig.4 Dynamic pressure of Tank11s for a 6th generation deepwater semi-submersible platform(load:100%)

圖5 某第6代深水半潛式平臺液艙Tank1p_1局部應(yīng)力Fig.5 Local stress of Tank1p_1 for a 6th generation deepwater semi-submersible platform

表2 3種液艙建模方式下某第6代深水半潛式平臺的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比Table 2 Comparison of structural stresses among three modeling methods for a 6th generation deepwater semi-submersible platform

4 結(jié)論

1) 采用質(zhì)量點模型、液艙模型(準靜態(tài)法)以及考慮液艙內(nèi)部水動力效應(yīng)的液艙模型(全動態(tài)法)等3種方法，分別對半潛式平臺進行了水動力載荷預(yù)報以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算，并對計算結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明：液艙模型準靜態(tài)法和全動態(tài)法得到的液艙水動壓力分布在液艙滿載情況下基本保持一致，半載情況下略有差異；3種液艙建模方式下，平臺的總體應(yīng)力分布基本保持一致。相比2種液艙模型，質(zhì)量點模型下液艙的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力稍有差別。

2) 相比2種液艙模型來說，質(zhì)量點模型建模方式相對簡單，且計算精度上能夠滿足工程要求，適合用于半潛式平臺的總體強度評估。但如果要進一步分析液艙等結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力分布，或者液艙位于平臺的關(guān)鍵連接部位，采用液艙模型更為合理。