深水半潜平台的环境载荷分析

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(中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081)

深水半潜式钻井平台在作业海域中时刻受到风、浪、流等环境载荷的作用，尤其在恶劣海况条件下，有可能造成系泊系统的破坏。因此应根据目标海域环境条件，分析平台环境载荷的作用，并评估平台的运动响应。本文所讨论的平台为工作在我国南海水域的半潜平台，工作水深1 500 m，最大钻井深度为10 000 m。

1 目标平台的环境载荷计算

风速是脉动的，一天之中风速变化很大，需取某一时距的平均风速[1]。由于所取的时距长短不同，风速的名称也不同。常用的有阵风风速、持续风速、稳定风速等，各国船级社的平台规范中也都有各自的规定。中国船级社(CCS)规定，时距1 min的设计风速用于局部构件的基本风压计算；时距10 min的设计风速用于总体结构基本风压计算。稳定风速一般取时距1 h的平均风速[2]。

作用在移动式平台和系泊的海流作用的输入条件通常用流速和流剖面表示。

波浪载荷的计算常采用设计波法和波谱法。活动式平台是海上的孤立式结构物，它的支撑结构(支柱、桩腿、撑杆等)和基础结构均受到波浪力的作用。同时波浪载荷对平台结构和整体稳性影响很大，在计算时应考虑波高、周期、入射方向、波峰与平台的相对位置等因素。

综合对南海环境资料的统计和分析，最终确定目标半潜平台的风、浪、流环境输入条件，采用100年一遇南海有台风条件作为生存工况，1年一遇南海风暴条件为作业工况，见表1。

表1 确定的环境输入条件

注：H1/3为有效波高；TP为谱峰周期;TZ为过零周期

2 目标平台的风载荷计算

风载荷对活动式平台的结构强度、漂浮稳性和着底稳性影响较大，而且由于活动式平台的定位方向是可变的，因此，平台定位时也应考虑风向。活动式平台在设计和使用中不仅要考虑风速，还要考虑强风向和常风向。移动式平台的海上定位方向是可变的，因此根据不同季节的工作海区强风向和常风向的变化合理地确定平台的定位方向，以减少平台所受的风力。CCS《海上移动平台入级与建造规范》规定，风载荷主要作用于平台的上层建筑及水面以上的主体部分，与受风面积、受风构件形状、受风构件高度、风速等因素有关。所以，考虑通过平均风速与阵风谱来描述其对平台系泊状态下的平均位移及最大位移的影响。

风载荷主要作用于上部模块及平台位于水线面以上的部分。水平风载荷的计算方法如下。

(1)

式中：p——风压力，kN；

vk——设计风速，m/s；

S——平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积，m2；

Ch、Cs——受风构件的高度及形状系数;

f=0.613。

根据公式(1)目标平台自存工况和作业工况，各方向的风载荷比较见图1。

图1 不同工业目标平台的风载荷比较

3 目标平台的流载荷计算

海流有风海流、波浪流、潮流等，海流的流速随时间的变化是缓慢的，在平台设计中为简化计算，常将它们看成是稳定的流动，并认为它们对结构物的作用仅为拖曳力，目标半潜平台受拖曳力结构见图2。

图2 目标半潜平台受拖曳力的结构

当只考虑海流作用时，作用于平台水下部分的海流载荷F为

(2)

式中：CD——曳力系数；

ρw——海水密度，kg/m3；

v——设计海流流速，m/s；

A——构件与流速垂直平面上的投影面积，m2。

目标半潜平台中，平台主体及系泊系统都将受到海流的作用，其中平台主体尺寸较大，受到的流载荷也较大，采用绕射理论计算波浪载荷，同时旁通和下浮体结构也受到粘性力的作用，因此其海流载荷将由式(2)进行计算，根据式(2)及流速可以得到目标平台流力系数。

根据式(2)计算0°～360°(间隔为45°)海流方向的流载荷，结果见图3。

图3 目标平台方向的流载荷

4 目标平台的波浪载荷计算

目标平台在规则波浪场中承受波浪载荷作用时，波浪载荷的作用使其在波浪场中作振荡运动。对于一个在波浪场中微幅运动的大尺度结构物来说，波浪载荷对结构的作用可以分解为绕射作用和辐射作用两部分。半潜式钻井平台承受的波浪载荷为波浪绕射载荷和辐射载荷的叠加[3]。应用三维势流理论，以挪威船级社(DNV)的SESAM 程序计算作用在浮体表面上的波浪载荷，再利用SESAM水动力分析模块WADAM 进行波浪载荷计算。对于半潜式钻井平台，若下浮体采用圆柱横撑连接，则平台可看作小尺寸结构物；对于小尺寸结构物，波浪的拖曳力和惯性力是波浪载荷的主要分量，波浪载荷用Morison公式计算。

平台自存工况吃水16 m和作业工况吃水19 m中时所受的波浪载荷传递函数分析结果通过DNV的SESAM软件计算获得，波浪方向为东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向。

波浪载荷作用下浮体的运动幅值符合Rayleigh分布，其概率密度函数为

(3)

式中：x——变量；

σ2——方差。

(4)

(5)

有义值R1/3为

PHC临床发病率与病死率均较高，其中男性发病率高于女性，且发病率随着年龄的升高而逐渐升高。多数PHC患者均存在慢性肝病史，多数肝硬化患者病情严重最终导致PHC。目前临床上诊断PHC手段较多，其中肝组织穿刺活检准确性较高，但具有创伤性，会导致肝脏出血、患者身体不适，B超、CT等影像学检查具有无创性，而检测结果需要经验丰富的医师进行判定，且结果容易受到个人主观因素影响，因此医师需要有较高的技术水平才能够保证检测的准确性［8］。

(6)

此外，可进一步求得短期响应的最大值。短期响应最大值与有义值的关系为

(7)

式中，n——改变量的短期循环次数。

目前3 h极值在海洋工程中应用的较多，它是基于90%的可靠性得到的，其表达式为

式中，m0,m2——响应谱的零阶距和二阶距，

利用已得到的目标平台的波浪载荷响应传递函数，结合目标海域海况资料确定的海浪谱，从而得到平台不规则波中短期波浪载荷响应。目标平台运动响应短期预报最大值见表2。

表2 目标平台波浪载荷短期预报最大值

可以看出，目标平台一阶波浪力无论是在自存工况还是在作业工况下，垂荡运动、艏摇运动和纵荡运动产生的波浪力对目标平台影响最大。

5 结论

2) 目标平台的流载荷有风海流、波浪流、潮流等。海流的流速随时间的变化是缓慢的，在平台的设计中为简化计算，常将它们看成是稳定的流动，并认为它们对结构物的作用仅是拖曳力。

3) 一阶波浪力无论是自存工况下还是作业工况下，垂荡运动、艏摇运动和纵荡运动产生的波浪力对目标平台影响最大。

4) 目标平台的二阶平均漂移力对平台的影响虽然比一阶小102～103，但是其对平台的影响也是不容忽视的。

5) 从计算结果来看，风载荷、流载荷和波浪载荷对平台的影响数量级相近，因此以上3个载荷对目标平台的影响都是不可忽视的。

[1] 潘 斌.移动式平台设计[M].上海:上海交通大学出版社，1996.

[2] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[3] 竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津:天津大学出版社，1995.