渤海海域?qū)Ч芗芷脚_(tái)船舶撞擊性能分析

溫生亮，尹光榮

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

近年來，隨著海洋石油開采的不斷發(fā)展，一座座海上石油平臺(tái)在海域建立，在某些海域，石油平臺(tái)的密度已接近飽和。如此高密度的石油平臺(tái)在安裝階段，乃至整個(gè)壽命周期內(nèi)，都有被船舶撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。雖然大多數(shù)平臺(tái)都安裝有靠船裝置，以降低供應(yīng)船等船舶作業(yè)時(shí)碰撞平臺(tái)對(duì)平臺(tái)造成損傷，但意外情況仍難免發(fā)生。船舶撞擊平臺(tái)輕則造成結(jié)構(gòu)凹陷變形，重則導(dǎo)致平臺(tái)傾覆倒塌。據(jù)了解，我國渤海海域一座四腿的導(dǎo)管架井口平臺(tái)的工程投資約為數(shù)十億元人民幣。所以，船舶撞擊石油平臺(tái)的分析研究至關(guān)重要。

API、DNVGL、ISO 19902等海洋結(jié)構(gòu)物相關(guān)規(guī)范都有涉及船撞分析指導(dǎo)做法，但較為籠統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)選取不符合我國海域?qū)嶋H情況。本文以渤海某項(xiàng)目為依托，在進(jìn)行參數(shù)適應(yīng)性研究的基礎(chǔ)上，采用SACS軟件collapse模塊對(duì)船撞分析進(jìn)行較深入的研究，圓滿完成了工程設(shè)計(jì)任務(wù)。

1 基本原理

船舶撞擊平臺(tái)的分析研究按照時(shí)間歷程可分為兩個(gè)過程：撞擊階段的研究和撞擊后的分析研究。

（1）撞擊階段。碰撞的過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞的過程。研究是建立在機(jī)械能守恒的基礎(chǔ)之上。因?yàn)榕鲎驳倪^程很短暫，可以將其視為一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的過程。船舶撞擊平臺(tái)是典型的非彈性碰撞。碰撞前，運(yùn)動(dòng)的船舶具有動(dòng)能，碰撞接觸的一瞬間，船舶的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為平臺(tái)的動(dòng)能，另一部分被平臺(tái)和船舶自身吸收，轉(zhuǎn)化為平臺(tái)和船舶的應(yīng)變勢(shì)能。

為了簡化問題，本文的研究進(jìn)行以下假設(shè)：①船體為剛體；②船舶與平臺(tái)碰撞后均靜止。這樣，碰撞過程中，船舶的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變勢(shì)能，包括：

(a)受沖擊構(gòu)件因凹陷和梁彎曲而產(chǎn)生的局部變形。(b)整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體變形。

（2）撞擊后的分析。研究平臺(tái)在遭受撞擊后，損壞構(gòu)件在不修復(fù)的情況下，在一年一遇的最大環(huán)境荷載下，是否可以正常工作，以保證充足的時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。

2 撞擊背景及參數(shù)選取

2.1 撞擊能量

船撞的主要能量是船舶動(dòng)能。動(dòng)能公式：

E -撞擊能量，MJ；a -附連水質(zhì)量系數(shù)；m -船舶質(zhì)量，MT；v -撞擊速度，m/s

2.1.1 船舶質(zhì)量

關(guān)于船舶質(zhì)量，NORSOK N-003[1]，ISO/CD 19902[2]，DNVGL[3]中指出在北海區(qū)域推薦選用排水量5000MT的船舶。本文參照規(guī)范推薦值并結(jié)合渤海區(qū)域過往船只和補(bǔ)給船的噸位選用了5400MT船舶進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 附連水質(zhì)量系數(shù)

附連水質(zhì)量系數(shù)的選取，根據(jù)ISO 19902[2]規(guī)定，其與船舶大小和船舶撞擊平臺(tái)的船舶的撞擊部位有關(guān)。5000噸級(jí)以上的船舶，當(dāng)船側(cè)撞擊平臺(tái)時(shí)系數(shù)取1.4；當(dāng)船艉或船艏撞擊平臺(tái)時(shí)系數(shù)取1.1。小于5000噸的船舶，附連水質(zhì)量系數(shù)可以增加到1.6和1.4。API[4]中推薦附連水質(zhì)量系數(shù)與船舶大小無關(guān)，只與撞擊時(shí)船舶的撞擊方式有關(guān)，當(dāng)側(cè)撞時(shí)取1.4，船艉或船艏撞擊時(shí)取1.1。綜合兩本規(guī)范推薦值，根據(jù)2.1.1節(jié)船舶噸位，本文使用的附連水質(zhì)量系數(shù)為1.4，按照船舶側(cè)面撞擊平臺(tái)考慮。

2.1.3 撞擊速度

撞擊速度需要分低能量水平撞擊速度和高能量水平撞擊速度兩種情況進(jìn)行考慮。

（1）低能量水平的撞擊速度。此時(shí)船舶沒有失去動(dòng)力，撞擊平臺(tái)前有自我控制能力。API[4]，DNVGL[3]，ISO19902[2]等規(guī)范一致推薦的值為0.5m/s。

（2）高能量水平的撞擊速度。此時(shí)船舶失去動(dòng)力，船舶在波浪的推動(dòng)下撞向平臺(tái)。NORSOK N-003[1]，ISO19902[2]，DNVGL[3]，等規(guī)范對(duì)于此種情況給出的推薦速度是2m/s。ISO19902[2]中指出：在海浪高度約為4m時(shí)，高能量船撞的船舶速度推薦使用2m/s。以上規(guī)范給出的建議速度均是針對(duì)挪威北海海域。而本項(xiàng)目位于我國渤海灣區(qū)域，根據(jù)氣象水文資料，本項(xiàng)目所處的渤海海域波浪情況如表1，渤海海域與北海海域浪高曲線如圖1。

表1 渤海海域年平均波高頻率表

曲線Ⅰ：渤海海域波高曲線；曲線II：挪威北海海域波高曲線，Hs≤4m；曲線III：挪威北海海域全年波高曲線。

圖1 渤海與北海波高、頻率曲線圖

曲線II僅統(tǒng)計(jì)了挪威北海海域波高小于等于4m的情況，這是考慮到如果波高大于4m時(shí)，補(bǔ)給船將被禁止靠近平臺(tái)。

從圖1可以看出，渤海海域海浪超過2m的概率約8%，超過4m的概率僅為0.43%。而挪威北海海域全年波浪高度超過4m的概率達(dá)20%[5]。因此，規(guī)范上建議的2m/s撞擊速度顯然不適合我國渤海海域。

本文建議以10個(gè)百分點(diǎn)為特征值進(jìn)行研究，渤海區(qū)域超越概率10%對(duì)應(yīng)的浪高是1.8m，而挪威北海區(qū)域?qū)?yīng)的浪高是3.4m（曲線II），如果對(duì)應(yīng)曲線III的話，可以達(dá)到5m。說明在90%的概率下，渤海海域的波高僅是挪威北海海域的1/2。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，船舶漂移速度與浪高的關(guān)系為：

v -船舶漂移速度，m/s；Hs-有義波高，m；

綜上，本文建議渤海海域船舶高能量撞擊的撞擊速度為1m/s。

2.2 撞擊模擬

2.2.1 撞擊區(qū)域

碰撞區(qū)域是指船舶可能撞擊平臺(tái)任何一側(cè)的區(qū)域，包括導(dǎo)管架腿、斜撐等。本文僅研究船舶以一個(gè)方向撞擊導(dǎo)管架主腿的情形。

碰撞區(qū)域的垂直高度應(yīng)根據(jù)船舶吃水深度、波高和潮位高度確定。NORSOK N-003[1]中給出的撞擊范圍建議值是撞擊海域天文潮高潮位（HAT）以上13m和最低天文潮低水位（LAT）以下10m。通常情況5000t補(bǔ)給船型深7～8m。顯然如果船舶側(cè)向撞擊平臺(tái)，這個(gè)建議撞擊區(qū)域偏大。

圖2是渤海海域典型補(bǔ)給船尺度圖，船舶水線到底部平線距離為2918mm，到舷側(cè)距離為5080mm。如前文2.1.2節(jié)所述，本文考慮船舶側(cè)向撞擊平臺(tái)，故撞擊范圍取LAT-3m～HAT+5m。本文研究的導(dǎo)管架平臺(tái)海域高潮位（HAT）和低潮位（LAT）分別比平均海平面高0.9m、低0.9m。所以本文選擇的撞擊區(qū)域?yàn)橐云骄Ｆ矫妫∕SL.）為EL(+/-)0.0m的EL.(-)3.9m～EL(+)5.9m范圍。并對(duì)撞擊高點(diǎn)EL(+)5.9m和撞擊低點(diǎn)EL.(-)3.9m分別進(jìn)行模擬撞擊研究。

圖2 渤海區(qū)域典型補(bǔ)給船

2.2.2 撞擊力

模擬撞擊計(jì)算中，在撞擊點(diǎn)上根據(jù)撞擊方向添加撞擊力，撞擊力按設(shè)定的系數(shù)逐步增大模擬撞擊過程。設(shè)定初始撞擊力為1000kN。每步均計(jì)算撞擊力在結(jié)構(gòu)桿件上產(chǎn)生的凹陷值以及撞擊能量。當(dāng)撞擊能量達(dá)到公式(1)中的值時(shí)，計(jì)算結(jié)束，可以從計(jì)算結(jié)果中讀出桿件產(chǎn)生的凹陷值與結(jié)構(gòu)吸收的總能量。

在SACS中提供了兩種撞擊力與桿件凹陷值的計(jì)算方法，分別是Furnes和Ellinas公式：

Pd-撞擊力；MP=1/4 Fyt2-桿件塑性矩；Fy-屈服強(qiáng)度；D,R -桿件直徑和半徑；t -桿件壁厚；X -凹陷值

Furnes公式與Ellinas公式結(jié)果相近，本文選用Furnes公式。

2.2.3 桿件凹陷吸能公式

撞擊力作用在結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凹陷，其撞擊能量是撞擊力在凹陷深度上的積分，用公式表示為：

將Furnes公式帶入公式(5)可以得到：

3 算例結(jié)果與分析

3.1 撞擊階段計(jì)算結(jié)果及分析

SACS軟件計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

表2 SACS軟件計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式(1)撞擊總能量：

SACS計(jì)算中每一步撞擊都會(huì)根據(jù)撞擊力計(jì)算出撞擊能量和結(jié)構(gòu)凹陷，由于撞擊力是初始值的倍數(shù)增加，當(dāng)計(jì)算的撞擊能量達(dá)到船舶撞擊能量3.78MJ時(shí)計(jì)算停止。故SACS計(jì)算的總能量會(huì)略高于公式(7)計(jì)算值?？傋矒袅υ诘妥矒酎c(diǎn)和高撞擊點(diǎn)分別為22600kN和29800kN，桿件產(chǎn)生的凹陷值分別為16.95cm和7.13cm。撞擊力與桿件凹陷值關(guān)系曲線圖3和圖4。

撞擊低點(diǎn)導(dǎo)管架腿尺寸為?2604×45，撞擊高點(diǎn)導(dǎo)管架腿尺寸為?2604×80。很顯然可得出結(jié)論：當(dāng)撞擊能量一定時(shí)，被撞擊桿件壁厚越大，產(chǎn)生的凹陷值越小。故在導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，可以通過增加腿的壁厚來降低船舶撞擊造成的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 低撞擊點(diǎn)撞擊力與桿件凹陷值曲線

圖4 高撞擊點(diǎn)撞擊力與桿件凹陷值曲線

3.2 撞擊后平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

導(dǎo)管架平臺(tái)在遭受撞擊后，桿件產(chǎn)生局部凹陷。撞擊后平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能可從兩方面進(jìn)行分析。（1）利用Dent tubular單元來模擬遭受撞擊產(chǎn)生凹陷的桿件。對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加環(huán)境荷載，進(jìn)行在位情況下的靜力分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在操作工況下的安全性。（2）使用SACS軟件的COLLAPSE模塊進(jìn)行平臺(tái)倒塌分析計(jì)算。在結(jié)構(gòu)凹陷不修復(fù)的情況下，將環(huán)境力作為變量逐步增加，直至平臺(tái)倒塌，得到平臺(tái)倒塌前環(huán)境力的增加倍數(shù)RSR（安全儲(chǔ)備系數(shù)）。安全儲(chǔ)備系數(shù)越大，說明結(jié)構(gòu)越安全。

從圖6和圖7的計(jì)算結(jié)果得出：當(dāng)船舶分別在低點(diǎn)和高點(diǎn)撞擊平臺(tái)后，平臺(tái)的安全儲(chǔ)備系數(shù)為20.47和18.27。因此得出結(jié)論，船舶在高潮位時(shí)撞擊平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)更大。

圖5 SACS軟件中的Dent tubular單元

圖6 低撞擊點(diǎn)撞擊下，平臺(tái)倒塌前桿件塑性比

圖7 高撞擊點(diǎn)撞擊下，平臺(tái)倒塌前桿件塑性比

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文結(jié)合我國渤海海域海洋環(huán)境實(shí)際情況，對(duì)API，DNVGL，ISO19902等規(guī)范中關(guān)于船撞的參數(shù)進(jìn)行了修正，給出船舶撞擊速度在低能量撞擊時(shí)建議值0.5m/s，高能量撞擊時(shí)建議值1.0m/s；當(dāng)撞擊船舶為5000MT以下的船舶時(shí)，撞擊區(qū)域推薦為LAT-3m～HAT+5m的范圍。

通過某導(dǎo)管架平臺(tái)的船撞分析，得出結(jié)論：（1）在導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，可以通過適當(dāng)增加導(dǎo)管架腿的壁厚使結(jié)構(gòu)具有一定的冗余度，以降低船舶撞擊造成的風(fēng)險(xiǎn)。（2）在高潮位，大風(fēng)浪的海洋環(huán)境下，應(yīng)盡量減少船舶靠近海洋平臺(tái)，以防止發(fā)生碰撞。

4.2 展望

目前國內(nèi)海洋平臺(tái)使用的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)大多針對(duì)于挪威北海海域。而我國渤海、南海等海域環(huán)境狀況與其相差甚遠(yuǎn)，在一些參數(shù)的選取方面，需要做出適當(dāng)修正，才能更加符合實(shí)際情況。希望在不遠(yuǎn)的將來，制訂出適合我國海洋環(huán)境的規(guī)范。