海洋核動(dòng)力平臺(tái)水動(dòng)力性能試驗(yàn)分析

孔凡富，余 曼，李天鷂，鄭亞雄，董海防，周友明，劉克勤

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所， 武漢 430064)

1 引言

海洋核動(dòng)力平臺(tái)是搭載有核動(dòng)力裝置的非自航式浮式平臺(tái)，由外轉(zhuǎn)塔軟剛臂系泊系統(tǒng)長(zhǎng)期定位于渤海海域，可為周圍采油平臺(tái)和島礁提供電力和淡水[1-2]。平臺(tái)以渤海明珠號(hào)為母型，在設(shè)計(jì)過程中為校核船體和系泊系統(tǒng)的安全性需要開展水動(dòng)力性能試驗(yàn)。

與其他同類型船舶相比，平臺(tái)在研制過程中有諸多要求，包括：① 船體搖擺限定值要求。船體作為核設(shè)施的外部包絡(luò)，為保證核設(shè)施的正常運(yùn)行和停堆安全，船體在作業(yè)工況下的橫搖極值不得超過22.5°、縱搖極值不得超過10°，自存工況下的橫搖極值不得超過45°、縱搖極值不得超過15°。② 船體線加速度限定值要求。為減少核設(shè)施承受的沖擊載荷，船體在任何工況下的線加速度都不得超過2g，尤其是反應(yīng)堆艙處。③ 船體不傾覆要求。船體傾覆會(huì)直接影響對(duì)堆內(nèi)核燃料的反應(yīng)性控制，以及對(duì)堆內(nèi)核燃料和乏池中乏燃料的余熱導(dǎo)出，進(jìn)而影響核安全，船體在任何工況下都不得發(fā)生傾覆事故。④ 基于系泊系統(tǒng)環(huán)境條件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，系泊系統(tǒng)能夠承受約6 MN的載荷。因此在水動(dòng)力性能試驗(yàn)中，需要側(cè)重船體響應(yīng)和系泊系統(tǒng)載荷的安全性。

參考渤海明珠號(hào)和國(guó)外同類型船舶[3]，對(duì)平臺(tái)開展驗(yàn)證性水動(dòng)力性能試驗(yàn)，校核船體搖擺、線加速度、抗傾覆能力是否滿足限定值要求，以及系泊系統(tǒng)載荷是否在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)并保證足夠的安全裕量，同時(shí)針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 試驗(yàn)條件與模型

2.1 環(huán)境條件與試驗(yàn)工況

在平臺(tái)預(yù)研階段，初步確定以作業(yè)海域重現(xiàn)期100年、500年和10 000年對(duì)應(yīng)的風(fēng)、波浪和流疊加作為平臺(tái)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)作業(yè)工況、系泊設(shè)計(jì)工況和自存工況?；谧鳂I(yè)海域環(huán)境條件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[4]，對(duì)不同工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)、波浪和流參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，其中系泊設(shè)計(jì)工況包含時(shí)距1 min和1 h平均風(fēng)速，分別用于定常風(fēng)和NPD風(fēng)譜。

表1 環(huán)境條件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)風(fēng)浪流方向組合的規(guī)定，以及作業(yè)海域常見風(fēng)浪流方向組合[5]，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)外同類型船舶水動(dòng)力性能試驗(yàn)，并考慮到系泊系統(tǒng)對(duì)于定常風(fēng)和風(fēng)譜的敏感性，對(duì)平臺(tái)的試驗(yàn)工況安排如表2～表4所示。

表2 作業(yè)工況

表3 系泊設(shè)計(jì)工況

表4 自存工況

2.2 試驗(yàn)條件與模型

水動(dòng)力性能試驗(yàn)在海洋工程水池開展，水池主尺度 50 m×30 m×6 m，具備模擬風(fēng)浪流等各種海洋環(huán)境條件的能力，是我國(guó)技術(shù)功能比較完備的水池，如圖1。

平臺(tái)整體主要包括船體和外轉(zhuǎn)塔軟剛臂系泊系統(tǒng)兩部分，此外還有舭龍骨、尾部推進(jìn)器和跨接纜等，如圖2。

圖2 平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

依據(jù)船型論證和艙室總布置，平臺(tái)排水量約為 33 000 t。與作業(yè)于渤海海域的同類型船舶相比，平臺(tái)的排水量約為渤海友誼號(hào)的1/2、長(zhǎng)青號(hào)的1/2、明珠號(hào)的3/7、世紀(jì)號(hào)的1/6，說明平臺(tái)的排水量和主尺度都非常小[6]。

平臺(tái)在水池中的布置和風(fēng)浪流方向規(guī)定如圖3所示，分別由可移動(dòng)式軸流風(fēng)機(jī)、雙推板大功率液壓造波機(jī)、高壓噴水造流系統(tǒng)模擬風(fēng)、波浪和流條件，包括定常風(fēng)和NPD風(fēng)譜。在造波機(jī)對(duì)岸設(shè)有消波灘，用于吸收波能而防止產(chǎn)生反射波，以及通過可升降假底調(diào)節(jié)水深[7]。

圖3 水池與平臺(tái)布置示意圖

平臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足幾何相似、傅汝德相似條件，由于在海工水動(dòng)力試驗(yàn)中，幾乎不可能做到模型和實(shí)船兩者雷諾數(shù)相等，因此模型試驗(yàn)中產(chǎn)生的粘性力系數(shù)、浮體的粘性橫搖阻尼可能產(chǎn)生尺度效應(yīng)。在試驗(yàn)前，開展實(shí)船粘性系數(shù)的理論計(jì)算。通過靜水試驗(yàn)，獲得模型粘性系數(shù)測(cè)量值，并與理論值進(jìn)行對(duì)比，以達(dá)到試驗(yàn)驗(yàn)證目的。如測(cè)量得到的值與所要求的的理論值一致，則可繼續(xù)開展試驗(yàn)；如不符合，則分析原因，重新調(diào)整，以此避免尺度效應(yīng)對(duì)風(fēng)浪流試驗(yàn)的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 靜水衰減試驗(yàn)和系泊剛度試驗(yàn)

在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下，船體處于軟剛臂系泊狀態(tài)，而在自存工況下，船體處于自由狀態(tài)，因此需要分別針對(duì)2種狀態(tài)進(jìn)行船體靜水衰減試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 運(yùn)動(dòng)周期和無因次阻尼

通過調(diào)整船體在縱向和橫向上的偏移距離，可以得到系泊系統(tǒng)的靜態(tài)回復(fù)力[8]，并與理論值對(duì)比，其剛度曲線如圖4和圖5。

圖4 縱向剛度曲線

圖5 橫向剛度曲線

由結(jié)果可知，試驗(yàn)測(cè)量得到的縱向和橫向剛度曲線都與理論值吻合良好，說明模型的精確性滿足試驗(yàn)要求。

3.2 風(fēng)浪流試驗(yàn)

3.2.1船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

在作業(yè)工況下，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖6。由圖6(a)和圖6(c)可知，垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)總體平穩(wěn)，受風(fēng)向和流向的影響不大，且都在工況3時(shí)極值最大。由圖6(b)和圖6(d)可知，橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)存在關(guān)聯(lián)且都受流向影響很大，在工況2和工況5時(shí)流向均為90°，此時(shí)橫搖和艏搖極值最大。

圖6 作業(yè)工況船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)直方圖

在系泊設(shè)計(jì)工況下，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖7。通過對(duì)比可知，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)定常風(fēng)和風(fēng)譜、波浪譜隨機(jī)種子、平均周期T1、半流的改變不敏感。風(fēng)向和流向?qū)λ淖杂啥冗\(yùn)動(dòng)的影響與作業(yè)工況相同，尤其當(dāng)流向?yàn)?0°時(shí)，橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)的極值都非常大。在工況5和工況16時(shí)，方向組合都為風(fēng)180°浪150°流90°，橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)極值都最大。

在自存工況下，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖8。與工況24和工況25式的流向135°時(shí)相比，工況23和工況26流向90°時(shí)垂蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)極值增大明顯，說明與作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況相比，自存工況下垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)受流向影響更大。同時(shí)與作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況相同，橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)受流向影響同樣很大。

3.2.2船體加速度響應(yīng)

在全船布置4個(gè)加速度測(cè)量點(diǎn)，其中測(cè)量點(diǎn)1、2、4分別位于在船艏、船中和船艉，而測(cè)量點(diǎn)3位于反應(yīng)堆艙處。在3種工況下的船體加速度響應(yīng)如圖9。由對(duì)比可知，船艏和船艉的加速度都是最大，而船中和反應(yīng)堆艙處則最小。

3.2.3系泊系統(tǒng)載荷

在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下，固定塔架水平力和系泊腿軸向力的大小分別如圖10和圖11所示。除90°橫流工況外，在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下，固定塔架水平力的極值分別穩(wěn)定在2.0～2.6 MN和2.9～5.0 MN范圍內(nèi)，說明固定塔架受力平穩(wěn)。但在90°橫流工況下，在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下，固定塔架水平力分別出現(xiàn)了14 MN和28 MN的極值。

除90°橫流工況外，在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下，系泊腿軸向力的極值分別穩(wěn)定在2.3～2.9 MN和2.8～4.1 MN范圍內(nèi)，說明系泊腿受力平穩(wěn)。但在90°橫流工況下，在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下，系泊腿軸向力分別出現(xiàn)了11.0 MN和27.6 MN的極值。

圖7 系泊設(shè)計(jì)工況船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)直方圖

圖8 自存工況船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)直方圖

圖9 船體加速度響應(yīng)直方圖

圖10 固定塔架水平力的大小直方圖

圖11 系泊腿軸向力的大小直方圖

4 安全性校核與問題分析

基于水動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果，從船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、船體線加速度響應(yīng)、系泊系統(tǒng)載荷和抗傾覆能力四方面校核平臺(tái)的安全性。

1) 由2.3.1節(jié)可知，在作業(yè)工況下，船體橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的最大值分別為8.0°和4.6°，在自存工況下，船體橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的最大值分別為10.7°和6.9°，遠(yuǎn)小于船體搖擺限定值要求。

2) 由2.3.2節(jié)可知，在作業(yè)工況下，船體線加速度在3個(gè)分量上的最大值分別為0.8 m/s2、2.6 m/s2、2.9 m/s2，在自存工況下，船體線加速度在3個(gè)分量上的最大值分別為1.3 m/s2、4.0 m/s2、3.9 m/s2，遠(yuǎn)小于船體線加速度限定值要求。

3) 由2.3.3節(jié)可知，除90°橫流工況外，在作業(yè)工況和系泊設(shè)計(jì)工況下的固定塔架水平力力和系泊腿軸向力都在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)。但在90°橫流工況下，則出現(xiàn)了遠(yuǎn)大于系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)載荷的情況，說明通過水動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果的校核，現(xiàn)階段系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在問題。

4) 由2.3.1節(jié)可知，在3種工況下，船體橫搖運(yùn)動(dòng)最大值為10.7°，遠(yuǎn)小于船體靜穩(wěn)性曲線中的穩(wěn)性消失角，說明船體具有足夠的回復(fù)力矩使船體回復(fù)到正常姿態(tài)，更不會(huì)因?yàn)榉€(wěn)性喪失而發(fā)生傾覆。

綜上所述，在船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、線加速度響應(yīng)和抗傾覆能力方面，平臺(tái)的安全性滿足要求，并且具有充足的安全裕量，但系泊系統(tǒng)載荷校核無法滿足要求。

以工況11為例，通過對(duì)固定塔架水平力分量和系泊腿軸向力時(shí)歷曲線分析可知，在對(duì)應(yīng)實(shí)船的3h內(nèi)，絕大部分時(shí)間內(nèi)系泊系統(tǒng)載荷都十分平均，只在幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)了突變。在4 127 s，波高時(shí)歷曲線中出現(xiàn)了一個(gè)9.22 m波峰，是整個(gè)波高時(shí)歷曲線中峰值和谷值最大的。在4 132 s，固定塔架水平力X分量的時(shí)歷曲線出現(xiàn)7.4 MN的突變，左舷和右舷系泊腿軸向力的時(shí)歷曲線分別出現(xiàn)3.0 MN和4.9 MN的突變，說明某一極端波高的出現(xiàn)導(dǎo)致了固定塔架和系泊腿載荷的瞬間增大。

由分析可知，當(dāng)船體艏搖運(yùn)動(dòng)大于45°時(shí)，固定塔架和系泊腿都有可能承受瞬時(shí)沖擊載荷，主要由于船體在大角度斜浪狀態(tài)下，左右舷的系泊剛臂運(yùn)動(dòng)不一致，導(dǎo)致系泊腿出現(xiàn)瞬時(shí)張緊，如圖12所示。參考國(guó)內(nèi)外軟剛臂系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在環(huán)境條件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和船體主尺度保持不變的情況下，提高系泊系統(tǒng)的剛度成為主要的解決方法，措施是增加軟剛臂壓載重量。

圖12 張緊時(shí)刻的系泊腿示意圖

5 結(jié)論

1) 船體橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)受流向的影響很大，流向越趨于90°橫向，橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)也就越大。

2) 與船艏和船艉相比，船中線加速度最小，為保證核設(shè)施的安全運(yùn)行，應(yīng)將核設(shè)施布置在船中附近。

3) 固定塔架水平力和系泊腿軸向力都有突變點(diǎn)，主要由于系泊腿會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)張緊，經(jīng)過分析初步確定增大系泊系統(tǒng)的剛度可減少瞬時(shí)張緊。

4) 基于設(shè)計(jì)工況下的橫搖極值，船體具有很強(qiáng)的抗傾覆能力和充足的安全裕量，可保證船體能夠回復(fù)正浮姿態(tài)而不發(fā)生核事故。

5)在指定環(huán)境條件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)下，船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、船體線加速度響應(yīng)、抗傾覆能力都符合設(shè)計(jì)要求，但在水動(dòng)力性能試驗(yàn)校驗(yàn)時(shí)，系泊系統(tǒng)載荷出現(xiàn)瞬時(shí)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的情況，主要原因在于環(huán)境條件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)較高、船體主尺度與軟剛臂系泊系統(tǒng)不匹配、軟剛臂縱向和橫向剛度曲線斜率偏小。