深水半潛式支持平臺靠泊海洋生產(chǎn)平臺碰撞場景

姜河蓉， 操安喜， 金允龍

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135； 2.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201306)

近年來，隨著海洋工程的大力發(fā)展，世界海洋能源開發(fā)從近海淺水區(qū)域向更復(fù)雜、危險(xiǎn)的深海水域發(fā)展，大型海洋平臺如深水半潛式鉆井平臺、深水半潛式生活支持平臺、張力腿平臺(Tension-Leg Platforms, TLP)和Spar平臺等的工作適用性越來越強(qiáng)，相應(yīng)的工作環(huán)境也越來越惡劣，增加了發(fā)生意外事故的風(fēng)險(xiǎn)，如船舶與海洋平臺的碰撞、生活支持平臺與靠泊平臺的碰撞、重物墜落撞擊平臺、火災(zāi)或爆炸等異常事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)造成大型平臺結(jié)構(gòu)損傷坍塌，致使人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對周邊的海洋生態(tài)環(huán)境也造成嚴(yán)重的污染和破壞。半潛式平臺每年的平均事故率遠(yuǎn)超其他類型的海洋平臺[1]，需要引起關(guān)注。

深水半潛式生活支持平臺為給大型海上生產(chǎn)平臺提供人員生活和相關(guān)支持：如人員服務(wù)、物資周轉(zhuǎn)、設(shè)備更換和作業(yè)支持等，常常需要通過連接棧橋進(jìn)行靠泊連接。在長期的海上作業(yè)過程中，難免發(fā)生支持平臺與生產(chǎn)平臺之間的碰撞。目前，海洋平臺碰撞問題對于支持平臺與生產(chǎn)平臺之間的碰撞研究較少，其主要關(guān)注的是供應(yīng)船舶對海洋平臺的碰撞，并有碰撞事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和規(guī)范指導(dǎo)文件參考。在船舶與海洋平臺碰撞場景中，平臺屬于被動(dòng)撞擊方，主要集中在對受撞船舶結(jié)構(gòu)損傷特性的分析和抗撞性能的評估上。[2]支持平臺與生產(chǎn)平臺之間的碰撞中支持平臺是主動(dòng)撞擊方，靠泊時(shí)碰撞速度的確立成為決定碰撞能量大小和評估海洋平臺損傷后果的關(guān)鍵因素。本文選取深水半潛式支持平臺在通過連接棧橋近距離靠泊連接時(shí)發(fā)生碰撞的場景，研究支持平臺可能發(fā)生的撞擊生產(chǎn)平臺的最大運(yùn)動(dòng)速度，探討有義波高對碰撞速度的影響關(guān)系，與船舶的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較得出一定的規(guī)律。因此，波浪對碰撞速度的影響分析將是研究的重要內(nèi)容，可為海洋平臺靠泊碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估提供一定價(jià)值的參考。

1 靠泊碰撞場景

因長期的海上頻繁近距離接觸而引發(fā)的碰撞場景包括：供應(yīng)船舶在靠泊補(bǔ)給海洋工作平臺時(shí)經(jīng)常發(fā)生供應(yīng)船碰撞海洋平臺事故、穿梭油船對浮式生產(chǎn)儲卸裝置/浮式儲油平臺進(jìn)行原油輸送操作時(shí)碰撞事件時(shí)有發(fā)生[3]，同樣深水半潛式支持平臺在靠泊海洋生產(chǎn)平臺的近距離接觸中發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)較大。支持平臺靠泊連接生產(chǎn)平臺實(shí)景見圖1。

圖1 支持平臺靠泊連接生產(chǎn)平臺實(shí)景圖

規(guī)范中關(guān)于船舶與海洋平臺的碰撞場景都有一定規(guī)定，如：歐洲北海海洋工程作業(yè)規(guī)定的典型碰撞場景為5 000 t排水量的供應(yīng)船舶，2 m/s的撞擊速度；美國石油協(xié)會(huì)(The American Pertroleum Institute, API)規(guī)范的典型碰撞場景為1 000 t船，0.5 m/s的撞擊速度。波浪誘導(dǎo)產(chǎn)生的碰撞速度是引發(fā)碰撞損傷的主要原因，在海洋平臺相關(guān)規(guī)范中，典型的船舶和平臺的碰撞速度與波高存在的經(jīng)驗(yàn)公式[4]為

ν=0.5·Hs

(1)

式(1)中：v為船舶的碰撞速度；Hs為平臺附近名義波高，一般取1～4 m。

由于深水半潛式支持平臺的連接棧橋設(shè)置在舷側(cè)或者艏部，對應(yīng)兩種典型的搭接方式分別見圖2和圖3。碰撞風(fēng)險(xiǎn)，以人為操作失誤為主導(dǎo)因素，技術(shù)故障和外部條件因素為輔助因素[5]，在風(fēng)、浪、流海況不利條件下，存在支持平臺正面橫向或者縱向碰撞生產(chǎn)平臺的模式。支持平臺橫向靠泊連接生產(chǎn)平臺如圖2所示，支持平臺縱向靠泊連接生產(chǎn)平臺如圖3所示。

本文針對同一型深水半潛式支持平臺的模型，從對碰撞速度影響的角度進(jìn)行平臺水動(dòng)力性能的研究，分析平臺在波浪誘導(dǎo)作用下橫蕩和縱蕩的速度預(yù)報(bào)，分支持平臺單獨(dú)存在時(shí)和支持平臺近靠生產(chǎn)平臺雙體存在時(shí)兩種情況進(jìn)行討論。

圖2 支持平臺橫向靠泊連接生產(chǎn)平臺

圖3 支持平臺縱向靠泊連接生產(chǎn)平臺

2 平臺數(shù)值仿真

本文研究的平臺是適應(yīng)水深達(dá)到3 000 m的深水半潛式生活支持平臺，為典型的四立柱穩(wěn)定式平臺，可適應(yīng)全球主要深水海域環(huán)境條件，如挪威北海、美國墨西哥灣、中國南海等。平臺結(jié)構(gòu)主尺度參數(shù)見表1，采用SESAM軟件進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，建立數(shù)值模型見圖4。由于不同的波譜對于計(jì)算結(jié)果的影響不大，因此波譜選擇沒有特殊的限定。[6]本文統(tǒng)一取無限水深，PM譜進(jìn)行計(jì)算。

在平臺的典型環(huán)境條件中，根據(jù)適應(yīng)海域海況條件，有義波高從幾米到十幾米不等。為全面分析平臺在波浪中的水動(dòng)力特點(diǎn)，不僅考慮作業(yè)工況，還針對平臺設(shè)計(jì)狀態(tài)的3種工況都進(jìn)行計(jì)算，分別為：生存工況對應(yīng)的吃水最淺;作業(yè)工況對應(yīng)的吃水最深;一般工況吃水居中。

表1 平臺結(jié)構(gòu)主尺度 m

圖4 平臺水動(dòng)力模型

2.1 支持平臺單獨(dú)存在時(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

平臺在海洋環(huán)境中存在六自由度運(yùn)動(dòng)，支持平臺單獨(dú)存在的六自由度運(yùn)動(dòng)RAO(Response Amplitude Operator)值見圖5，分別為垂蕩、縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩、艏搖。通過計(jì)算波浪激勵(lì)下平臺運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)RAO值，可得到單位幅值波浪作用下平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，據(jù)此分析平臺的水動(dòng)力性能。平臺橫蕩在90°浪向處最為敏感，達(dá)到峰值?？v蕩在105°浪向最為敏感。

a) 垂蕩響應(yīng)幅值

b) 縱搖響應(yīng)幅值

c) 橫搖響應(yīng)幅值

d) 縱蕩響應(yīng)幅值

e) 橫蕩響應(yīng)幅值

f) 艏搖響應(yīng)幅值

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7，由圖6和圖7可知:隨著有義波高的增加，平臺橫蕩和縱蕩速度值幾乎以固定斜率呈線性增加，在有義波高2 m時(shí)，斜線有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折，當(dāng)有義波高超過6 m后，增長速率略有轉(zhuǎn)折后趨于線性穩(wěn)定。有義波高2 m對應(yīng)的比值有一個(gè)跳躍式的增長，后面隨著波高的增長，速度與波高的占比值逐漸增大，但增大幅度不大，橫蕩與縱蕩增長趨勢一致。各工況橫蕩、縱蕩速度與波高的占比關(guān)系分別見圖8和圖9。

圖6 各工況橫蕩速度與波高的關(guān)系圖

圖7 各工況縱蕩速度與波高的關(guān)系圖

圖8 各工況橫蕩速度與波高的占比關(guān)系圖

圖9 各工況縱蕩速度與波高的占比關(guān)系圖

從3種工況的結(jié)果比較可知：平臺在不同吃水狀態(tài)下，橫、縱蕩速度占比情況是不同的。工況1對應(yīng)的占比數(shù)值最大，工況3對應(yīng)的占比數(shù)值最小，說明平臺吃水越淺，波浪對速度的影響越大，相應(yīng)產(chǎn)生的碰撞速度也越大。

以vx為平臺橫蕩速度，vy為縱蕩速度，工作工況的計(jì)算結(jié)果見表2。將1～12 m有義波高值對應(yīng)的橫、縱蕩速度值按照占比情況分為4個(gè)比值段:2 m有義波高內(nèi)，速度占波高的10%；3～6 m有義波高內(nèi)，速度占波高的16%～18%；6～9 m有義波高內(nèi)，速度占波高的18%～19%；10 m以上有義波高，速度占波高的比值穩(wěn)定在20%。在實(shí)際操作過程中碰撞發(fā)生概率較大的波浪情況為1～6 m。根據(jù)對北海平臺事故的統(tǒng)計(jì)資料和英國健康安全局(Health and Safety Executive,HSE)的指導(dǎo)文件，74%的平臺碰撞事故發(fā)生時(shí)海浪有義波高在1～4 m之間，4 m情況發(fā)生最多。[7]

表2 支持平臺單體時(shí)工作工況對應(yīng)不同波高的速度值

通過3種工況條件下的平臺水動(dòng)力計(jì)算可知:生存工況下的速度值最高，作業(yè)工況下的值最小;縱蕩與橫蕩的速度趨勢相似，縱蕩速度稍大。由于比值存在一個(gè)跨度，因此可分段表示：在有義波高2 m內(nèi)，速度占波高10%；有義波高超過2 m，速度約占波高20%。由于風(fēng)險(xiǎn)評估的安全裕度和可能未考慮的因素影響，偏于安全將16%～20%的比值段四舍五入取為20%。

通過以上分析總結(jié)得出平臺單體時(shí)橫蕩和縱蕩速度與有義波高的關(guān)系處于一致的水平，可表示為

(2)

式(2)中：v為海洋平臺的碰撞速度(m/s)；Hs為平臺附近名義波高。

2.2 支持平臺近靠生產(chǎn)平臺時(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

深水半潛式支持平臺在支持作業(yè)時(shí)，靠泊的對象平臺具有多樣性，但深水半潛式鉆井平臺是深水中需要靠泊補(bǔ)給的典型平臺，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對波浪場的影響具有代表性，因此,在支持平臺近靠生產(chǎn)平臺的計(jì)算采用某主尺度相近的深水半潛式鉆井平臺作為靠泊對象進(jìn)行水動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。支持平臺橫向靠泊連接生產(chǎn)平臺數(shù)值模型見圖10。支持平臺縱向靠泊連接生產(chǎn)平臺數(shù)值模型見圖11。支持平臺橫向靠泊連接生產(chǎn)平臺時(shí)運(yùn)動(dòng)RAO曲線見圖12。支持平臺縱向靠泊連接生產(chǎn)平臺時(shí)運(yùn)動(dòng)RAO曲線見圖13。

圖10 平臺橫向靠泊生產(chǎn)平臺數(shù)值模型

圖11 平臺縱向靠泊生產(chǎn)平臺數(shù)值模型

相對于支持平臺單體運(yùn)動(dòng)RAO響應(yīng)，靠近生產(chǎn)平臺時(shí)支持平臺的運(yùn)動(dòng)RAO發(fā)生明顯的變化。六個(gè)自由度上RAO峰值都有明顯的升高，且橫蕩、縱搖的RAO在受生產(chǎn)平臺反射勢、繞射勢影響發(fā)生了顯著變化。

a) 垂蕩

b) 縱搖

c) 橫搖

d) 縱蕩

e) 橫蕩

f) 艏搖

單體和雙體橫蕩、縱蕩速度與波高占比關(guān)系分別見圖14和圖15。由圖14和圖15比較可知:雙體狀態(tài)下的橫蕩、縱蕩速度曲線均處于單體時(shí)上方，由于生產(chǎn)平臺的存在，兩平臺發(fā)生水動(dòng)力耦合，其速度勢相互耦合，計(jì)算結(jié)果表明：耦合影響會(huì)加速支持平臺的碰撞速度，對碰撞造成不利影響。支持平臺近靠生產(chǎn)平臺對應(yīng)不同波高的速度值見表3。

相比較于支持平臺單獨(dú)存在時(shí)的情況，近靠生產(chǎn)平臺時(shí)的雙體狀態(tài)下，支持平臺的橫蕩和縱蕩速度都有所增加。對于實(shí)際碰撞發(fā)生概率較大的波浪情況1～6 m，仍可分段如式(2)所示:在有義波高2 m內(nèi)，速度占波高10%；有義波高超過2 m，速度約占波高20%。通過對深水半潛式支持平臺在不同環(huán)境波高作用下的水動(dòng)力計(jì)算，得出平臺橫蕩和縱蕩速度與有義波高的關(guān)系可表示為式(2)。

a) 垂蕩

b) 縱搖

c) 橫搖

d) 縱蕩

e) 橫蕩

f) 艏搖

圖14 單體和雙體橫蕩速度與波高占比關(guān)系圖

圖15 單體和雙體縱蕩速度與波高占比關(guān)系圖

表3 支持平臺近靠生產(chǎn)平臺對應(yīng)不同波高的速度值

3 結(jié)束語

本文研究深水半潛式支持平臺在單獨(dú)存在和近靠生產(chǎn)平臺時(shí)波浪作用下的水動(dòng)力特點(diǎn)，并對3種工況設(shè)置下的橫蕩和縱蕩速度進(jìn)行預(yù)報(bào)，經(jīng)過計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

1) 針對半潛式海洋平臺，其吃水越淺，波浪對平臺運(yùn)動(dòng)速度的影響越大。

2) 深水半潛式支持平臺在不同有義波高作用下的橫蕩和縱蕩速度相似，縱蕩速度稍大。

3) 船舶與海洋平臺碰撞速度的經(jīng)驗(yàn)公式為：速度是有義波高值的50%，對于深水半潛式海洋平臺，波浪的影響要小一些，速度對有義波高的占比值要小很多。

4) 支持平臺近靠生產(chǎn)平臺時(shí)，由于兩平臺的水動(dòng)力耦合作用的影響，平臺速度預(yù)報(bào)值相對單體時(shí)要偏高。

5) 半潛式海洋平臺的橫向或縱向碰撞速度與有義波高的關(guān)系可表示如式(2)所示:在有義波高2 m內(nèi)，速度占波高10%；有義波高超過2 m，速度約占波高20%。