海生物對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)環(huán)境載荷的影響分析

喻之凱,陸月

(1.深圳市潤(rùn)渤船舶與石油工程技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518067;2.中國(guó)船級(jí)社 廣州分社,廣州 510235)

南海東部的導(dǎo)管架平臺(tái)作業(yè)水深在100 m左右，其環(huán)境載荷主要來自于風(fēng)、波浪、海流等。南海海域平臺(tái)投產(chǎn)初期，海生物生長(zhǎng)較快，隨后生長(zhǎng)速度減慢，厚度漸漸趨于穩(wěn)定[1]。海生物的附著不僅會(huì)增加平臺(tái)的自重，而且通過增大導(dǎo)管架桿件的直徑和表面粗糙度，增強(qiáng)對(duì)波浪和海流的阻力，從而造成結(jié)構(gòu)物環(huán)境載荷增加。有關(guān)研究[2]表明，位于英國(guó)北海水深100 m的某8樁腿導(dǎo)管架平臺(tái)在波高30 m情況下，厚度為50 mm海生物增加重量?jī)H占導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)備總重的0.05%，基底剪力增加量占比達(dá)到無(wú)海生物附著情況下基底剪力總值的5.64%，水深50 m以內(nèi)增加量占總增加量的90.78%；厚度為150 mm海生物增加重量占比總重的0.15%，基底剪力增加占比達(dá)到17.46%，水深50 m以內(nèi)增加量占總增加量的91.52%。由此可見，海生物附著會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)承受的環(huán)境載荷增加。

工程上一般定期對(duì)水下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)海生物生長(zhǎng)厚度接近設(shè)計(jì)值時(shí)就進(jìn)行海生物清除工作，但在制定清除范圍時(shí)，并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)指南可循，尤其水深超過50 m部分水下作業(yè)需要?jiǎng)佑蔑柡蜐撍M(fèi)用很高。本文從工程角度出發(fā)，計(jì)算不同海生物清除范圍下導(dǎo)管架平臺(tái)的環(huán)境載荷，并對(duì)其變化趨勢(shì)和規(guī)律進(jìn)行分析。

1 平臺(tái)環(huán)境載荷分析

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的波浪誘導(dǎo)載荷一般可以分為3類：拖曳力、慣性力和繞射力。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)桿件的直徑小于波長(zhǎng)的20%時(shí)，可以忽略結(jié)構(gòu)物對(duì)入射波場(chǎng)的影響，采用只考慮拖曳力和慣性力的半經(jīng)驗(yàn)半理論的莫里森(Morison)公式進(jìn)行波浪力的計(jì)算。

1.1 波浪運(yùn)動(dòng)

目前沒有適用于任何水深、波高和周期的統(tǒng)一波浪理論，各種理論都有其特定的適用范圍，且互為補(bǔ)充。在進(jìn)行分析時(shí)需根據(jù)海況條件選取合適的波浪理論來描述波浪運(yùn)動(dòng)，確定波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度勢(shì)函數(shù)和波面方程，由此來計(jì)算作用于平臺(tái)上的波浪力。海洋工程常用的波浪理論有：線性艾里(Airy)波理論及非線性斯托克斯(Stokes)波理論等。當(dāng)波幅和波陡無(wú)限小，即認(rèn)為自由邊界滿足線性條件時(shí)，線性波浪理論才適用，一般用于近海導(dǎo)管架平臺(tái)的疲勞載荷分析；斯托克斯五階波理論在相當(dāng)大范圍內(nèi)可滿足自由液面邊界條件，適用于平臺(tái)操作工況和風(fēng)暴自存工況的環(huán)境載荷計(jì)算。

1.2 載荷計(jì)算

南海導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)桿件直徑一般均小于設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的20%，可以采用莫里森公式計(jì)算波浪作用在平臺(tái)構(gòu)件上的載荷，平臺(tái)的整體環(huán)境載荷由莫里森公式得出的局部載荷矢量疊加而成。API規(guī)范[3]中莫里森公式如下。

考慮波浪與海流同時(shí)作用，通常認(rèn)為莫里森公式仍可適用，但應(yīng)將波浪誘導(dǎo)速度和流速進(jìn)行矢量相加后再采用莫里森公式進(jìn)行載荷計(jì)算[4]。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定風(fēng)暴水位時(shí)的流速分布，采取線性延伸垂向分布或非線性延伸垂向分布方法將它延伸(壓縮)到局部的波浪表面。經(jīng)過對(duì)比，非線性延伸垂向分布方法得到的平臺(tái)總載荷與由波浪和海流垂向分布的典型受拖曳力控制的結(jié)構(gòu)的精確解的誤差較小，故本文采用非線性延伸垂向分布方法計(jì)算流速分布。

1.3 拖曳力和慣性力系數(shù)

拖曳力和慣性力系數(shù)由桿件相對(duì)表面粗糙度、雷諾數(shù)、Keulegan-Carpenter數(shù)、流/波的速度比確定。依據(jù)API規(guī)范，在計(jì)算時(shí)，拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)采用下列值：

光滑構(gòu)件：Cd=0.65；Cm=1.6。

粗糙構(gòu)件：Cd=1.05；Cm=1.2。

2 計(jì)算案例

2.1 平臺(tái)選取

南海東部海域現(xiàn)服役導(dǎo)管架平臺(tái)全部采取4樁腿或8樁腿結(jié)構(gòu)型式，一般包含鉆修井、生產(chǎn)、生活模塊和隔水套管，選取水深在100 m左右的8樁腿和4樁腿平臺(tái)各1座進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 平臺(tái)環(huán)境條件和海生物厚度

為反映平臺(tái)真實(shí)環(huán)境載荷狀態(tài)，計(jì)算分析采用原始設(shè)計(jì)的環(huán)境條件和海生物厚度，見表1。

表1 設(shè)計(jì)環(huán)境條件和海生物厚度

2.3 計(jì)算工況

平臺(tái)在水平面一般布置成矩形或正方形，考慮到其幾何對(duì)稱性，計(jì)算時(shí)每座平臺(tái)均選擇3個(gè)方向進(jìn)行分析，假定垂直短邊入射為方向1，斜向45°入射為方向2，垂直長(zhǎng)邊入射為方向3。

在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)分別考慮高水位(H)和低水位(L)情況下，進(jìn)行操作工況(O)和風(fēng)暴自存工況(E)環(huán)境條件下的載荷分析。本文在此基礎(chǔ)上，將海生物清除范圍納入工況組合，每座平臺(tái)在每個(gè)方向均組合成44種工況，其中方向1組合工況見表2，方向2和方向3組合工況與此類似。

表2 方向1組合工況列表

2.4 模型建立

依據(jù)圖紙資料采用海洋工程結(jié)構(gòu)分析軟件SACS建立導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)和載荷模型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用桿單元和板單元模擬，包括導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、隔水套管、立管、靠船平臺(tái),以及樁土模型等，結(jié)構(gòu)模型見圖1～2。本文重點(diǎn)分析海生物清除對(duì)環(huán)境載荷的影響，故僅施加操作工況和風(fēng)暴自存工況下的波浪和海流載荷，其他載荷不予考慮。

圖1 8樁腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

圖2 4樁腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

3 結(jié)果分析

通過計(jì)算得到各工況平臺(tái)所承受的基底剪力和基底彎矩，為便于對(duì)比分析，將計(jì)算所得載荷均以相應(yīng)設(shè)計(jì)厚度載荷為基礎(chǔ)作歸一化處理，例如,將方向1_LO_原始厚度、方向1_LO_清除10 m……方向1_LO_全部清除各工況計(jì)算所得環(huán)境載荷均除以方向1_LO_原始厚度工況載荷做歸一化處理，其它類推。分別得到8樁腿和4樁腿平臺(tái)載荷隨海生物清除范圍變化曲線圖，見圖3～6。

圖4 8樁腿平臺(tái)基底彎矩隨海生物清除變化曲線

圖5 4樁腿平臺(tái)基底剪力隨海生物清除變化曲線

圖6 4樁腿平臺(tái)基底彎矩隨海生物清除變化曲線

由圖3～6可見，隨著海生物清除范圍的增大，基底剪力和基底彎矩均在減小，但減小速率在逐漸變小，直至趨近于零；海生物清除對(duì)操作工況下載荷改善比風(fēng)暴自存工況好。

從海生物不同清除范圍時(shí)環(huán)境載荷降低量占比全部清除載荷降低量角度進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 不同清除范圍時(shí)載荷降低百分比 %

綜上，清理-50 m范圍內(nèi)海生物所降低的環(huán)境載荷已非常可觀。究其原因:①波浪在上層水體厚度的2～3倍波高范圍內(nèi)集中了總波能的90%～98%能量;②海生物厚度在水面附近區(qū)域最大，使得桿件直徑增加較其他位置顯著。

4 結(jié)論

1)南海東部導(dǎo)管架平臺(tái)海生物清除范圍與其環(huán)境載荷之間具有較強(qiáng)的規(guī)律性，可為今后清除范圍制定提供參考。

2)分析表明，以基底剪力和基底彎矩降低百分比為指標(biāo)制定清除范圍可行。如考慮基底剪力和彎矩減少占總降低量分別為75%和85%時(shí)，則可將南海東部8樁腿和4樁腿平臺(tái)海生物清除范圍分別設(shè)定為水面至-35 m和-45 m。