半潜式平台整体结构设计的波浪载荷研究＊

李红涛 邓贤锋

（中国船级社海洋工程技术中心 天津 300457）

半潜式平台整体结构设计的波浪载荷研究＊

李红涛 邓贤锋

（中国船级社海洋工程技术中心 天津 300457）

在深入研究设计波方法的基础上，提出了适合于半潜式平台整体结构设计的确定性设计波法、随机性设计波法和长期预报设计波法，并结合DNV规范提出的6个特征载荷工况给出了半潜式平台整体结构设计的波浪载荷具体计算方法及流程。以实际半潜式平台为例，根据其作业海域，将3种设计波方法应用于波浪载荷计算，并进行了对比分析。结果表明，本文提出的方法可为半潜式平台的波浪载荷计算提供参考，对半潜式平台的整体结构设计具有一定的指导意义。

半潜式平台；波浪载荷；确定性设计波法；随机性设计波法；长期预报设计波法

作为一种重要的海上移动式平台，半潜式平台具有运动性能良好、适应较恶劣的海况条件、工作水深大、可变载荷高等显著优点，已经成为深海油气开发的主要装备［1］。在进行半潜式平台整体结构设计时，需要考虑的主要环境载荷为波浪载荷，风载荷和流载荷可忽略不计。半潜式平台处于随机海浪作用下，波浪载荷具有随机性和复杂动力性，难以精确计算，因此选取合理可行的方法计算平台波浪载荷对半潜式平台整体结构设计至关重要［2］。本文提出了适合于半潜式平台整体结构设计的3种设计波方法，即确定性设计波法、随机性设计波法和长期预报设计波法，结合DNV规范给出的6个特征载荷工况给出了半潜式平台整体结构设计的波浪载荷具体计算方法及流程；以一个实际半潜式平台为例，根据其作业海域，将3种设计波方法应用于波浪载荷计算，并进行了对比分析，结果表明本文提出的设计波计算方法可为半潜式平台的波浪载荷计算提供参考，对半潜式平台的整体结构设计具有一定的指导意义。

1 半潜式平台特征载荷工况

根据DNV RP－C103建议［3］，半潜式平台整体结构设计时应考虑波浪特征载荷工况，即根据平台的实际构造特征选择6种危险的波浪载荷工况（表1），各波浪特征载荷响应如图1所示。

表1 半潜式平台波浪特征载荷工况Table 1 Wave characteristic load condition of semi－submersible platform

图1 半潜式平台波浪特征载荷响应Fig.1 Wave characteristic load responses of semi－submersible platform

2 波陡计算方法

2.1 规则波波陡

规则波波陡S按如下公式［3］计算：

式（1）中：H为规则波高；T为规则波周期。DNV规范中提出的百年一遇规则波波陡S的计算公式为

式（2）中：H100为百年一遇最大规则波高，全球海况的H100＝32 m［3］。

2.2 不规则波波陡

不规则波也就是随机波，一般用短期海况（Hs，Tz）为代表参数的波谱进行描述。对于半潜式平台的结构极限强度设计，波谱形式一般采用JONSWAP波谱，其表达形式可参见文献［4］。DNV规范中，不规则波波陡Ss的计算公式为［3］

式（3）中：Hs为有义波高（DNV推荐的全球海域100年重现期的最大有义波高Hs＝17.3 m）；Tz为平均跨零周期。DNV规范中提出的百年一遇不规则波波陡Ss的计算公式为［3］

3 设计波方法具体步骤

所谓设计波，一般是指依据波浪载荷等效的原则并按照某种波浪理论构造的规则波列。通过对波高、周期、波浪入射角以及波浪相位角的组合搜索使结构物处于最不利状态且达到一定回复期的最大载荷，从而得到相应的设计波参数［2］。对于半潜式平台设计波浪载荷的重现期，一般不低于100年［3］。本文对设计波方法进行了深入的研究，并明确给出了确定性设计波法、随机性设计波法和长期预报设计波法的具体计算方法和步骤。

3.1 确定性设计波法

确定性设计波法主要基于表1规定的半潜式平台的特征载荷工况，利用最大规则波波陡构造出相应的设计规则波高和周期。具体步骤如下：

1）根据半潜式平台的外形尺寸及表1中规定的特征载荷工况，确定6个特征载荷工况的关键波浪入射方向和波长（周期）；

2）计算6个特征载荷工况的响应幅值算子（RAO），规则波周期范围为3～25 s，在峰值周围周期应以0.2～0.5 s为步长，远离峰值周期以1～2 s为步长；

3）在规则波浪周期3～15 s区间范围［5］内，以1 s为步长，根据式（2）给出的波陡值，通过式（1）计算生成一系列规则波（H，T），H一般不超过百年一遇最大规则波波高H100；

4）由上述（3）得到的规则波波高H分别乘以对应周期下的RAO，得到响应的特征载荷响应；

5）特征载荷最大响应值对应的规则波（H，T）即为设计波波高和周期，波浪入射角和相位角由对应的最大RAO确定。

3.2 随机性设计波法

随机性设计波法应用不规则波谱进行特征载荷的预报，也称之为谱分析方法。具体步骤如下：

1）根据半潜式平台的外形尺寸及表1中规定的特征载荷工况，确定6个特征载荷工况的关键波浪入射方向和波长（周期）；

2）计算6个特征载荷工况的RAO，规则波周期范围为3～25 s，峰值周围周期应以0.2～0.5 s为步长，远离峰值周期以1～2 s为步长；

3）在不规则波浪周期3～18 s区间范围内，以1 s为步长，根据式（4）给出的波陡值，通过式（3）计算生成一系列不规则波（Hs，Tz），Hs一般不超过百年一遇最大有义波高，此不规则波波谱一般采用JONSWAP波谱；

4）应用上述（2）、（3）得到的RAO及波浪谱，计算得到如下的响应谱：

式（5）中：Sw（ω）为波浪谱。因此，某一短期海况下载荷响应的最大可能值Rmax可由下式求得：

5）设计波波幅AD由i个短期海况预报的（Rmax）i的最大值R′max与单位波幅最大响应RAOC比值得到

式（7）中：LF为载荷系数，一般取值在1.1～1.3之间［5］，本文取值1.1。最终，（H＝2AD，T）即为整体结构设计使用的设计规则波，此时T为RAO最大值对应的周期。

3.3 长期预报设计波法

长期预报设计波法是在假定各个短期海况载荷变量服从Rayleigh分布的基础上，综合考虑了各个短期海况本身的概率而得到的长期概率分布。长期预报认为各种不同海况组成的短期预报相互独立，波浪特征载荷的长期分布是各短期概率分布的加权组合。具体步骤如下：

1）根据半潜式平台的外形尺寸及表1规定的特征载荷工况，确定6个特征载荷工况的关键波浪入射方向和波长（周期）；

2）针对每一个特征载荷变量x，计算波浪散布图中的每一短期海况下的Rayleigh概率分布，具体计算过程可参照随机性设计波法中的步骤（4）；

3）计算每一个特征载荷变量x的长期概率分布，即波浪特征载荷变量x大于某一定值X0的超越概率，即

式（8）中：pi（Hs，Tz）为短期海况（Hs，Tz）出现的概率，一般由波浪散布图得到；pj（β）为波浪入射角出现的概率。

对于波浪特征载荷的长期预报，也可以采用二参数的Weibull分布，即FL（x）＝1－exp（－x/q）h进行拟合，其中FL（x）为波浪特征载荷x的概率分布函数，q为尺度参数，h为形状参数。

4）按照百年一遇的波浪载荷重现期，可以计算出重现期内循环次数N，从而得到具有1/N超越概率的波浪特征载荷值。

5）最大预报载荷值与RAO最大值的比值作为设计波波幅，周期与RAO最大值对应值相同，最终得到设计规则波（H，T）。

4 算例分析

4.1 平台基本参数及计算条件

算例平台为在南海作业的某半潜式钻井平台，设有2个下浮体，6根立柱，立柱间有横向和斜向的撑管，立柱和撑管共同支撑主甲板；主甲板上设有钻台、井架、吊车等钻井设备以及生活楼、直升机甲板等设施。该平台的基本参数如表2所示。应用AQWA软件预报水动力载荷和平台运动响应，算例平台的湿表面模型和质量模型如图2、3所示。

表2 本文算例平台基本参数Table 2 Basic parameters of the example platform

图2 本文算例平台湿表面模型Fig.2 Hydrodynamic panel model of the example platform

图3 本文算例平台质量模型Fig.3 Mass model of the example platform

4.2 波浪特征载荷RAO

计算表1所列波浪特征载荷RAO，浪向区间0°～180°，步长22.5°，周期取3～30 s，其中4～18 s之间间隔0.5 s，20～30 s之间间隔2 s。6个波浪特征载荷的RAO如图4所示。

4.3 波浪输入条件

对于确定性设计波法，规则波周期取3～20 s，以0.5 s为步长，由式（1）、（2）确定一系列输入规则波，根据南海某半潜式钻井平台作业海域，百年一遇最大规则波波高为30.69 m；对于随机性设计波法，不规则波浪周期取3～20 s，以0.5 s为步长，由式（3）、（4）确定一系列JONSWAP波谱，百年一遇最大有义波高为16.5 m；对于长期预报设计波法，波浪散布图取自DNV推荐的全球海域统计的第62海域波浪散布图（南海海域）［6］。

4.4 结果分析与讨论

依据3种设计波方法分别对南海某半潜式钻井平台的波浪特征载荷进行了计算。表3为3种设计波方法下南海某半潜式钻井平台的特征载荷预报最大值，表4为3种设计波方法确定的南海某半潜式钻井平台最终设计波参数。

从表3、4数据可以看出：

1）确定性设计波法计算得到的设计波周期和波高一般都大于其他2种方法，因为在RAO的最大值附近，随着周期增加，波高增大，从而确定性设计波法的波浪特征载荷也随之增大；

2）从计算结果上看，确定性设计波法得到的波高大于随机性设计波法的结果，随机性设计波法结果大于长期预报的结果，这符合计算精度越大、计算值越小的趋势；

3）确定性设计波法计算简单，设计波波高也较大，偏于保守，适合设计初期的估算；随机性设计波法和长期预报结果较为接近，从经济性上考虑，工程上推荐使用随机性设计波法；

图4 本文算例平台波浪特征载荷RAOFig.4 Wave characteristic load RAOs of the example platform

表3 不同设计波方法下本文算例平台波浪特征载荷Table 3 Wave characteristic loads of the example platform for different design wave methods

表4 不同设计波方法确定的本文算例平台设计波参数Table 4 Design wave parameters of the example platform for different design wave methods

4）波浪条件是计算最终波浪载荷大小的重要参数，因此设计半潜式平台之初，应充分考虑平台作业海域的环境条件，确定合适的波陡参数和最大波高，这是决定半潜式平台整体结构设计的关键因素。

5 结束语

本文提出了适合于半潜式平台结构设计的3种设计波方法，并以一个实际半潜式平台为例，应用3种设计波方法计算了波浪载荷，其对比分析结论对于半潜式平台整体结构设计具有一定的指导意义。需要注意的是，半潜式平台的波浪载荷只是全部载荷的一部分，重力载荷、静水载荷也是平台载荷的重要组成部分［7］，在平台整体结构设计时需要一并考虑。至于局部载荷，如液舱压头、局部甲板载荷、局部波浪抨击等，需要在局部结构设计时详细考虑。

［1］范模.深水半潜式生产平台总体设计思路与应用前景［J］.中国海上油气，2012，24（6）：54－57.

Fan Mo.The overall design solution and application foreground of semi－submersible production platform in deep sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2012，24（6）：54－57.

［2］WANG Yanying.Discussion on the parameters of design waves［J］.Journal of Marine Science and Application，2008，7（3）：163－167.

［3］DNV.Column－stabilized units［S］.DNV－RP－C103，2012：23－30.

［4］竺艳蓉.海洋工程波浪力学［M］.天津：天津大学出版社，1991：189.Zhu Yanrong.Ocean engineering wave mechanics［M］.Tianjin：Tianjin University Press，1991：189.

［5］ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］.2014：113.

［6］DNV.Environmental conditions and environmental loads［S］.DNV－RP－C205，2010：114.

［7］白艳彬.深水半潜式钻井平台总体强度分析及疲劳强度评估［D］.上海：上海交通大学，2009：15－25.Bai Yanbin.Study on global strength analysis and fatigue strength assessment for deep－water semi－submersible drilling unit［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2009：15－25.

Study on wave loads for global structural design of semi－submersibles

Li Hongtao Deng Xianfeng
（Offshore Engineering Technology Center of CCS，Tianjin300457，China）

Wave loads are the main type of environmental loads for a semi－submersible platform and the design wave method is usually used for global structural design.Three design wave methods，i.e.，the deterministic method，stochastic method and long－term forecasting method，are proposed for the global structural design of semi－submersibles.Moreover，based on the six characteristic load cases proposed by DNV specifications，the detailed wave load computation process is given for the design.Finally，as an example，the wave loads for a semi－submersible operating in actual sea area are calculated with the three different design wave methods.It is showed that the method proposed in this paper may be helpful to wave load calculation and of guidance on global structural design of semi－submersible platforms.

semi－submersible；wave load；deterministic design wave method；stochastic design wave method；long－term prediction design wave method

P752

A

2014－06－10改回日期：2014－11－03

（编辑：叶秋敏）

李红涛，邓贤锋.半潜式平台整体结构设计的波浪载荷研究［J］.中国海上油气，2015，27（2）：98－103.

Li Hongtao，Deng Xianfeng.Study on wave loads for global structural design of semi－submersibles［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：98－103.

1673－1506（2015）02－0098－06

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.017

＊工信部深海半潜式钻井平台工程开发科研基金资助项目（工信部装［2009］382号）部分研究成果。

李红涛，男，教授级高级工程师，毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，获博士学位，现主要从事海洋工程结构物研究和审图工作。地址：天津开发区南海路11号明珠园A座（邮编：300457）。电话：022－66216618。E－mail：htli＠ccs.org.cn。