基于風(fēng)速預(yù)估的換流閥導(dǎo)管架海洋平臺特性分析

熊湘趣

(北方工業(yè)大學(xué) 機械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

電力資源的及時運輸尤其是特高壓直流輸電技術(shù)(UHVDC)的大規(guī)模實施，能快速地將電量通過以換流閥為主特高壓直流輸電系統(tǒng)為主的設(shè)備輸送到電能需求量大的地區(qū)。換流站是中國電網(wǎng)特高壓直流輸電工程的組成部分，其中換流閥閥廳是換流站結(jié)構(gòu)設(shè)計最為重要的地方。換流閥閥廳建設(shè)所需要的場所范圍大，高度高，工藝要求比較復(fù)雜。閥廳中主要設(shè)置的是換流閥和防火墻安排，滿足安全生產(chǎn)要求[1]。同時導(dǎo)管架海洋平臺作為海上生產(chǎn)生活的主體工具，對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性評價尤為重要。對于海洋工程來說考慮風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必不可少的階段。目前，許多研究者都對海洋平臺所受的風(fēng)荷載進行了研究，對于風(fēng)速的選取一般是采取的某些地區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，沒有去考慮未來出現(xiàn)的極限情況。

風(fēng)荷載的計算需要得到海洋平臺所處海域的風(fēng)速，但是未來的風(fēng)速是不確定的，直接運用過去收集的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)可能使最后的計算結(jié)果偏保守。文中雖然未來的具體極限風(fēng)速無法通過計算得到，但是海風(fēng)在未來一定時間里的極限風(fēng)速出現(xiàn)的概率還是可以通過過去收集保存的大量數(shù)據(jù)通過概率統(tǒng)計進行計算得到結(jié)果，然后由此得出的極限風(fēng)速進行海洋平臺的極限工況的風(fēng)荷載計算，將極限工況作為邊界條件，在保證減少成本的情況下滿足導(dǎo)管架安全設(shè)計要求，對于海洋平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計有非常重要的意義[2]。

1 風(fēng)速預(yù)估

1.1 資料來源

風(fēng)速資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心的中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

1.2 風(fēng)速計算

在工程設(shè)計過程中，從安全性和經(jīng)濟性綜合考慮，便需要進行科學(xué)的計算和預(yù)估極限荷載，但是對于風(fēng)荷載，浪荷載以及地震荷載來說，用實測極值來作為設(shè)計依據(jù)顯然是不合理的。所以，在考慮實際極值的時候，通常采用概率分布描述極端極值，這是因為氣候要素極值出現(xiàn)的概率是穩(wěn)定的[3]。所以，通過概率統(tǒng)計來計算滿足概率條件為P的最大風(fēng)速。

選取1963年—2010年東海某海域臺站受臺風(fēng)影響的頻次如表1所示，選取1963年—2010年期間達(dá)到影響條件的風(fēng)速樣本，并保證選取的風(fēng)速樣本之間的獨立性。設(shè)置一個風(fēng)速閾值在所有的年份風(fēng)速樣本中選取大于這個閾值的風(fēng)速樣本，同時也要讓所有的數(shù)據(jù)樣本中有的年份風(fēng)速樣本沒有大于閾值標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速，并且要求全年風(fēng)速沒有達(dá)到閾值的年份不超過所選取年份的1/10，選取的樣本數(shù)據(jù)建立臺站最大風(fēng)速序列[4]。

表1 1963年—2010年東海某海域極端風(fēng)速擬合檢驗

首先檢驗極端風(fēng)速出現(xiàn)的頻次是否符合泊松分布，根據(jù)公式：

(1)

(2)

式中Q為風(fēng)速樣本中被極端天氣影響總次數(shù)，M為風(fēng)速樣本中氣候觀察的總年數(shù)，Pk為式(1)中計算的分布頻數(shù)，k為分組數(shù)，q為每年發(fā)生極端天氣影響的次數(shù)。

然后根據(jù)公式：

(3)

樣本中極端風(fēng)速出現(xiàn)頻次分布函數(shù)記為：

G(v)=exp{-exp[-α(v-δ)]}

(4)

由式(3)計算可知，風(fēng)速樣本中極端風(fēng)速出現(xiàn)的頻次是符合泊松分布的，所以可以將極端風(fēng)速出現(xiàn)頻次分布函數(shù)改寫為：

(5)

將式(5)兩邊取對數(shù)，

(6)

將式(4)代入(6)得到，

(7)

將式(7)兩邊取兩次對數(shù)可得，

(8)

式中參數(shù)α和δ可以通過有限樣本(N)分布函數(shù)代替極端風(fēng)速出現(xiàn)頻次分布函數(shù)。

(9)

(10)

(11)

將式(11)代入式(8)計算可以得出概率為P的大風(fēng)極限速度為：

(12)

2 模型實例計算

2.1 換流閥導(dǎo)管架海洋平臺結(jié)構(gòu)模型

換流閥導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)主要分為甲板上換流站結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。文中設(shè)計閥廳采取密封設(shè)計，保證閥廳內(nèi)部工作環(huán)境。換流閥閥廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計為長65.0 m，寬38.0 m，高為35.0 m，密閉箱體，工業(yè)生產(chǎn)面積為2 470 m2。換流閥的尺寸為長10.0 m，寬6.0 m，高13.3 m，重量為7.8 t，在閥廳內(nèi)安裝的數(shù)量為18臺，換流閥荷載的分布如圖1所示。

圖1 換流閥荷載分布

換流閥導(dǎo)管架平臺處于水深為79 m，高出水面的部分為55 m，導(dǎo)管架平臺水面以下樁腿長度為120 m，其中泥面以上的樁腿長度為72 m，泥面以下的樁腿長度為48 m。平臺包括有3層甲板，上面2個甲板組成換流閥閥廳，下甲板為貨物運輸甲板，用來運輸?？看呢浳?。各層甲板高度為EL+15.3 m、EL+20.0 m、EL+55.0 m，整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)模型

2.2 環(huán)境荷載設(shè)定

主要研究的環(huán)境荷載為風(fēng)荷載對換流閥導(dǎo)管架平臺的影響。經(jīng)過式(12)可得重現(xiàn)期為50年的極端工況風(fēng)速為38.56 m/s，一年一遇的操作工況風(fēng)速為26.58 m/s。同時，導(dǎo)管架平臺有深入地下48.5 m，海底土層信息需采用相應(yīng)海域?qū)崪y數(shù)據(jù)編輯文件。

2.3 仿真計算結(jié)果

圖3 導(dǎo)管架平臺計算仿真云圖

在8個角度(0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°)環(huán)境荷載計算的過程中得到對應(yīng)角度上承受的風(fēng)荷載，然后分別進行仿真模擬計算并進行對比，選擇出導(dǎo)管架平臺應(yīng)力結(jié)果最大的方向。經(jīng)過計算結(jié)果如下，在極端工況下導(dǎo)管架平臺最大偏移量為1.217 m，桿件與節(jié)點的UC值都在安全范圍以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

筆者采用泊松-耿貝爾法的方法預(yù)估了重現(xiàn)期為50年的極限風(fēng)速，并以此為基礎(chǔ)進行了換流閥導(dǎo)管架海洋平臺的靜強度分析，得到在極端工況下海洋平臺的結(jié)構(gòu)特性，在極端海況作用下，換流閥導(dǎo)管架海洋平臺結(jié)構(gòu)均滿足設(shè)計要求，為后續(xù)工程實踐提供參考。