半潛式平臺波浪砰擊分析與應(yīng)用

高 暢，田其磊，李紅濤

(中國船級社 海工技術(shù)中心，天津 300457)

0 引 言

半潛式平臺能夠克服較為惡劣的海況條件，在深水海域石油勘探開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用[1-2]。氣隙與砰擊問題是半潛式平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一：過小的氣隙會使平臺受到波浪砰擊，從而引起結(jié)構(gòu)損壞；過大的氣隙會直接影響平臺造價(jià)，降低經(jīng)濟(jì)性。2015年，某半潛式平臺在挪威海域遭遇陡峭波浪的砰擊，造成平臺結(jié)構(gòu)損壞及人員傷亡，引發(fā)整個行業(yè)對半潛式平臺現(xiàn)有氣隙設(shè)計(jì)和安全性的擔(dān)憂。中國船級社(CCS)、挪威船級社(DNV)、美國船級社(ABS)等均據(jù)此開展研究，提出半潛式平臺允許存在一定的負(fù)氣隙，但平臺的砰擊強(qiáng)度必須滿足規(guī)范要求[3]。

波浪砰擊問題涉及強(qiáng)烈的非線性和不確定因素，目前通常采用理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方式[4]進(jìn)行分析。理想的計(jì)算方法是采用CFD方法，CFD方法可考慮流體黏性和空氣壓縮等效應(yīng)對波浪砰擊的影響[5]。然而，受計(jì)算效率的限制，該方法較難應(yīng)用于形式復(fù)雜且尺寸較大的結(jié)構(gòu)物，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有較大的局限性。半潛式平臺作為復(fù)雜龐大的海洋工程結(jié)構(gòu)物，在設(shè)計(jì)、營運(yùn)階段的砰擊分析既須滿足實(shí)際工程對準(zhǔn)確性的要求，又須滿足工程應(yīng)用對計(jì)算效率的要求。因此，如何選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，盡可能快速且足夠保守地估算波浪對平臺結(jié)構(gòu)的砰擊作用，是目前亟需解決的問題。

1 砰擊分析流程

半潛式平臺砰擊分析需要從平臺整體完整性與受砰擊結(jié)構(gòu)局部完整性兩方面進(jìn)行考慮。其中，平臺整體完整性須考慮：(1)甲板載荷過大導(dǎo)致漂浮穩(wěn)性喪失；(2)甲板上浪或進(jìn)水導(dǎo)致漂浮穩(wěn)性喪失；(3)甲板載荷或水平加速度過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性喪失；(4)過大的局部載荷導(dǎo)致甲板構(gòu)件倒塌；(5)波浪砰擊破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)進(jìn)水；(6)波浪砰擊導(dǎo)致救生艇或其他主要安全設(shè)施的功能喪失等。局部完整性分析可按照受砰擊位置的結(jié)構(gòu)形式，分為：(1)加筋板結(jié)構(gòu)完整性分析；(2)強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)完整性分析；(3)圓管結(jié)構(gòu)完整性分析；等等。

圖1為半潛式平臺砰擊分析的基本流程，綜合考慮典型的整體完整性分析和局部完整性分析。

圖1 半潛式平臺砰擊分析流程

砰擊分析以氣隙分析的結(jié)論為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，需綜合考慮負(fù)氣隙值、波浪砰擊方向以及發(fā)生負(fù)氣隙位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能特點(diǎn)，選取若干典型位置進(jìn)行局部砰擊分析。先計(jì)算波浪水平砰擊載荷時間歷程，再對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性瞬態(tài)分析，從而校核結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。當(dāng)局部結(jié)構(gòu)完整性喪失或存在甲板上浪等情況時，還須對平臺進(jìn)行包括破損穩(wěn)性、漂浮穩(wěn)性在內(nèi)的整體完整性分析。

2 砰擊局部完整性分析方法

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的經(jīng)驗(yàn)公式法在工程分析中應(yīng)用較廣。下面介紹砰擊時間歷程法和楔形塊入水法兩種計(jì)算波浪砰擊的經(jīng)驗(yàn)公式法。

2.1 砰擊時間歷程法

砰擊時間歷程法以氣隙分析結(jié)論為依據(jù)，通過經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)局部受砰擊結(jié)構(gòu)的垂向相對位置，確定砰擊載荷的時間歷程，再通過瞬態(tài)動力分析或等效靜力分析，校核結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。

2.1.1 砰擊壓強(qiáng)峰值

在砰擊載荷時間歷程中，最重要的參數(shù)之一是砰擊壓強(qiáng)峰值。各船級社根據(jù)水池試驗(yàn)給出砰擊壓強(qiáng)峰值的經(jīng)驗(yàn)公式。試驗(yàn)表明，測量到的壓強(qiáng)峰值與受砰擊結(jié)構(gòu)的垂向位置和測量區(qū)域面積有關(guān)。例如DNV規(guī)范給出壓強(qiáng)峰值的分段圖[6-7]，其橫坐標(biāo)為壓強(qiáng)峰值，縱坐標(biāo)為加載區(qū)域中心位置距靜水面的垂向高度與百年一遇的最大波面高度的比值。根據(jù)受砰擊結(jié)構(gòu)的垂向相對位置、結(jié)構(gòu)形式等，可計(jì)算對應(yīng)的壓強(qiáng)峰值。另外，如果入射波浪方向不垂直于被砰擊的甲板箱結(jié)構(gòu)，壓強(qiáng)峰值可根據(jù)實(shí)際波浪方向進(jìn)行折減。又如ABS規(guī)范給出砰擊壓強(qiáng)峰值的計(jì)算公式為Ppeak=kfafefsHs，式中：Ppeak為砰擊壓強(qiáng)峰值；k和fa分別為常量系數(shù)和設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)水池試驗(yàn)給出推薦取值；fe和fs分別為高度系數(shù)和形狀系數(shù)；Hs為設(shè)計(jì)海況有效波高[8]。根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)公式，亦可通過受砰擊結(jié)構(gòu)的高度和形狀特點(diǎn)，同時考慮一定的計(jì)算系數(shù)，得出有義波高與壓強(qiáng)峰值之間的關(guān)系。

2.1.2 載荷時間歷程

砰擊載荷的時間歷程曲線呈近似三角形(見圖2)。通常載荷上升時間平均為10～20 ms，對于形式較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)，載荷上升時間為10 ms。持續(xù)載荷水平表征著在特定時間間隔內(nèi)的砰擊載荷總體水平，可通過壓強(qiáng)峰值與載荷持續(xù)時間得到。砰擊載荷整體持續(xù)時間一般為40～100 ms。

圖2 砰擊載荷時間歷程曲線

2.1.3 結(jié)構(gòu)分析方法

在得到砰擊載荷時間歷程后，推薦采用顯示動力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。顯式動力學(xué)方法要求時間步長足夠小，這使其更適用于載荷作用時間較短的瞬態(tài)分析，例如沖擊分析、爆炸分析等。

1.2.2 染色體核型分析 采用G顯帶制備技術(shù)對臍血及外周血進(jìn)行常規(guī)G顯帶(500～550條帶)檢測。

當(dāng)平臺上部結(jié)構(gòu)遭受波浪砰擊時，拉伸破壞為結(jié)構(gòu)的主要失效模式，應(yīng)采用塑性應(yīng)變作為結(jié)構(gòu)失效的控制參數(shù)。當(dāng)塑性區(qū)范圍小于20t(t為鋼板厚度)時，該區(qū)域最大主應(yīng)變εcrl應(yīng)小于以下修正值：

(1)

式中：εcrg為總屈服臨界應(yīng)變，可通過一塊承受軸向載荷的鋼板計(jì)算得到；l為最大主應(yīng)變方向上的單元長度。

2.2 楔形塊入水法

楔形塊入水法是一種傳統(tǒng)的砰擊問題簡化分析方法，即將波浪砰擊結(jié)構(gòu)物轉(zhuǎn)化為楔形體以速度V穿過靜水面的問題。早在1932年，WAGNER對不同斜升角的楔形體入水進(jìn)行試驗(yàn)研究[9]。在將這種方法應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)物砰擊問題時，應(yīng)注意船體與波浪之間的垂向相對速度這一重要參數(shù)，需同時考慮船體運(yùn)動速度和波浪水質(zhì)點(diǎn)速度。試驗(yàn)表明，作用在結(jié)構(gòu)物上的平均砰擊壓強(qiáng)Ps與空間平均砰擊壓強(qiáng)系數(shù)CPa和水體與物體表面的相對法向速度V的平方成正比，CPa又與底升角β的大小相關(guān)[10]。具體計(jì)算式為

(2)

式中：ρ為流體密度。

3 算 例

以某第四代半潛式鉆井平臺為例，該平臺為雙體船型，共有4根穩(wěn)性立柱，立柱間有橫向撐桿。平臺總長為99.4 m，總寬為87.8 m，立柱中心縱向間距為56.2 m，自存吃水為18.4 m。環(huán)境條件選取中國南海典型環(huán)境參數(shù)，自存工況下的極限有義波高為13.7 m。

3.1 砰擊時間歷程法

根據(jù)氣隙分析的計(jì)算結(jié)果，算例平臺甲板箱外緣存在負(fù)氣隙。立柱外板、舷側(cè)外板、艏艉外板最小負(fù)氣隙如表1所示。結(jié)合最小負(fù)氣隙，綜合考慮波浪砰擊方向、平臺舷側(cè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，選取舷側(cè)外板進(jìn)行砰擊分析。在建模時，板、骨材、強(qiáng)梁、肘板均采用4節(jié)點(diǎn)平面單元進(jìn)行詳細(xì)模擬，單元尺寸按照由密到疏的順序由研究區(qū)域向外擴(kuò)展，局部高應(yīng)變區(qū)域使用2t×2t的網(wǎng)格劃分。模型邊界以不影響研究區(qū)域響應(yīng)分布為原則，建模范圍從加載區(qū)域向外延伸至少一個艙壁的距離。在局部模型中，切割的斷面位置加鉸支約束，如圖3所示。

表1 不同位置外板最小負(fù)氣隙

圖3 算例平臺左舷中部外板局部模型

研究區(qū)域?yàn)槠矫姘辶航Y(jié)構(gòu)，砰擊載荷直接作用在平板上。根據(jù)研究區(qū)域的垂向高度，作用在雙層底高程加筋板結(jié)構(gòu)上的砰擊載荷最大，按照第2.1節(jié)所述方法得到砰擊載荷時間歷程曲線如圖4所示。

圖4 作用在雙層底高程加筋板結(jié)構(gòu)上的砰擊載荷

計(jì)算得到算例平臺受砰擊結(jié)構(gòu)主應(yīng)力如圖5所示，校核結(jié)果如表2所示。

圖5 算例平臺受砰擊結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

表2 砰擊時間歷程法校核區(qū)域計(jì)算結(jié)果

3.2 楔形塊入水法

在結(jié)構(gòu)物表面離散二次等參單元，在某節(jié)點(diǎn)位置處，當(dāng)波浪與船體發(fā)生相互作用時，根據(jù)式(2)確定Ps，進(jìn)而得到整個受砰擊位置的平均壓強(qiáng)分布情況，再應(yīng)用準(zhǔn)靜力法計(jì)算受砰擊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。通過計(jì)算得到算例平臺舷側(cè)位置最大平均砰擊壓強(qiáng)為286 kPa，受砰擊結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力為321 MPa，應(yīng)力云圖如圖6所示，校核結(jié)果如表3所示。

圖6 算例平臺受砰擊結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表3 楔形塊入水法校核區(qū)域計(jì)算結(jié)果 MPa

3.3 分析與對比

將砰擊時間歷程法與楔形塊入水法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中可根據(jù)具體需求選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，盡可能快速且準(zhǔn)確地評估波浪對半潛式平臺結(jié)構(gòu)的砰擊作用。具體如下：

(1)砰擊時間歷程法主要根據(jù)水池試驗(yàn)推算砰擊載荷經(jīng)驗(yàn)公式，能較為真實(shí)地反應(yīng)砰擊對半潛式平臺結(jié)構(gòu)的作用，在應(yīng)用中重點(diǎn)解決模型試驗(yàn)以及瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析和校核等問題，因受限于模型的時歷計(jì)算量，往往在局部強(qiáng)度分析中占有優(yōu)勢，且只適用于平臺舷側(cè)外板的砰擊強(qiáng)度分析。

(2)楔形塊入水法將流體載荷計(jì)算方式應(yīng)用于半潛式平臺的外板砰擊分析，重點(diǎn)解決船體外板與波浪水質(zhì)點(diǎn)的垂向相對速度及夾角的問題。由于不確定因素較多，參數(shù)均需取自經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算過程屬于靜力分析，計(jì)算結(jié)果相對砰擊時間歷程法偏小，尤其是對于平臺側(cè)向外板的砰擊分析準(zhǔn)確度，更值得商榷。

(3)砰擊時間歷程法通常需要試驗(yàn)結(jié)果的支持，以確定砰擊壓強(qiáng)時歷曲線，對于新的半潛式船型須進(jìn)行水池試驗(yàn)后才能較為精確地確定砰擊載荷。目前，船級社規(guī)范為指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)給出的廣泛適用的砰擊載荷時歷曲線較為保守，但也可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

(4)砰擊時間歷程法和楔形塊入水法均只提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的載荷輸入，但兩種方法的結(jié)構(gòu)校核方式不同。砰擊時間歷程法推薦顯示動力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算量較大，但較為精準(zhǔn)；楔形塊入水法采用傳統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析方法，載荷輸入的準(zhǔn)確性將直接影響最終分析結(jié)果。

(5)兩種方法各有優(yōu)劣，都能計(jì)算得到波浪砰擊載荷，滿足實(shí)際工程需求。砰擊時間歷程法適用于半潛式平臺的側(cè)向外板強(qiáng)度分析，但需要較為精確的砰擊壓強(qiáng)時歷曲線作為輸入；楔形塊入水法更適用于半潛式平臺的底板強(qiáng)度分析，前提是需要比較準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)。

4 結(jié) 論

對半潛式平臺的波浪砰擊分析方法進(jìn)行研究，給出砰擊時間歷程法和楔形塊入水法兩種砰擊強(qiáng)度分析方法，并提出半潛式平臺波浪砰擊的分析方法和流程，可為半潛式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評估提供參考。值得注意的是，在實(shí)際平臺設(shè)計(jì)時，對于新的船型開發(fā)，除對結(jié)構(gòu)進(jìn)行砰擊分析外，往往還需通過模型試驗(yàn)進(jìn)行波浪砰擊分析驗(yàn)證。