第七代超深水钻井船环境烈度因子研究

2018-06-06王金峰刘仁昌赵志坚张利军

江苏船舶 2018年2期

王金峰，刘仁昌，赵志坚，曹凯，张利军

(中远海运重工有限公司，辽宁大连 116000)

0 引言

随着全球石油勘探活动逐渐走向深远海，对浮式钻探装备的要求更加严格。钻井船作为船型的海工装备具备船舶与海洋工程双重特点，相比半潜式钻井平台,其续航能力强、排水量大，能够装载更多的物资和材料，适合远海作业，同时钻井船机动性好，可快速地在不同作业地点和作业海域迁移。

基于美国船级社《钻井船入级与建造指南》(以下简称“指南”)要求，钻井船的结构设计与计算须分别考虑钻井作业、风暴自存、迁移三种作业情况下的环境条件，同时钻井船的结构构件尺寸的初始设计需要按照美国船级社《钢制船舶入级与建造规范》(以下简称“船规”)进行设计。在“船规”中，波浪载荷设计值的计算环境条件为北大西洋20 a一遇的海况，这与钻井船在作业、自存、迁移三种情况下的海况条件不同，所以这里引入环境烈度因子概念。通过烈度因子修正“船规”中的波浪载荷设计值，实现钻井船在指定作业海域和海况下的结构设计。美国船级社在内部研究报告中对浮式生产储油装置(FPSO)的环境烈度因子计算方法进行了阐述，国内也有相关学者对浮式生产储油装置的环境烈度因子进行了大量的研究，但对于钻井船环境烈度因子的计算方法国内尚无相关文献可供参考。

本文对美国船级社“指南”中环境烈度因子计算方法进行了详细的阐述，同时基于该规范对第七代超深水钻井船的环境烈度因子进行了计算并对该因子的计算要点进行了说明，为此类船型的结构设计分析提供了参考。

1 环境烈度因子计算原理

环境烈度因子β由特殊作业场地下的动载荷极值Ls和北大西洋无限航区海况条件下的动载荷极值Lu直接决定。用于环境烈度因子计算的各个波浪载荷成分基于三维线性势流理论方法[1]进行计算，通过求解船舶六自由度运动响应[2]以及湿表面压力求得剖面载荷与运动加速度响应进行长短期分析。计算软件采用基于三维线性势流理论的美国船级社计算软件SEAS软件。“指南”中给出的用于强度分析的环境烈度因子的计算公式如下：

(1)

式中：β为用于强度分析的环境烈度因子；Ls为在指定作业场地海况下的动载荷极值(长期、短期极值)，包括预期作业场地(至少1 a重现期)、迁移航线(考虑目标钻井船需满足全球航行要求，这里取20 a重现期)；Lu为基于北大西洋无限航区海况条件下的动载荷极值(长期极值)，重现期为20 a。

不同环境烈度因子的分类见表1。

本文在进行波浪载荷与运动幅频响应算子(RAO)[3]的计算时，作业工况取为三种：作业工况、迁移工况、风暴自存工况。计算工况按照美国船级社“指南”要求进行选取，计算工况中的装载必须能够代表结构设计中的危险情况与结构规范设计吃水保持一致。基于以上原则，这里选取所有工况中的最大吃水时的满载工况进行计算。

表1 环境烈度因子分类

计算中，考虑所有的浪向角同时也要考虑钻井船的对称性，选取浪向角搜索范围为0°～180°(迎浪为0°，向左舷转动为正)，浪向间隔15°。根据钻井船作业特点，浪向概率按照等概率进行计算。

本文选取波浪角频率的计算范围为0.2 ～1.8 rad/s，间隔0.05 rad/s，对应波浪周期范围为3.5～31.4 s，可涵盖常见海域的波浪周期。

2 波浪载荷预报的长短期分析方法

根据超深水钻井船的作业工况特点，其在指定地点作业工况下既要进行基于波浪散布图的长期分析，同时也要考虑作业时的极限短期海况，此时需要对指定作业地点的长期载荷极值与短期极值载荷进行对比，取其大者进行烈度因子的计算。对于风暴自存工况只对短期的极限风暴海况进行分析。

短期预报[4]是指分析时间发生在半小时到数小时之内。在数小时的时间段内可以认为船舶的航向、装载、航速以及海况都是不变的，可采用谱分析的方法得到船舶波浪载荷的响应谱。在短期分析时，可以认为波浪载荷的幅值满足瑞丽分布，其概率密度函数f(x)与分布函数F(x)如下：

(2)

(3)

式中：x为载荷幅值；σ2为方差。

在海洋工程中常认为短期统计时间为3 h，n为3 h内载荷的平均循环次数。短期统计特征最大值在n次载荷循环中仅出现一次超越此值：

(4)

(5)

式中：xmax为短期统计特征最大值。

长期预报[4]相比短期来说，时间更长，可以为一年、几年或是整个生命周期内，在这期间船舶的航行、装载、航速、海况都发生了变化。长期分析可以认为是很多短期的组合。

船舶运动或波浪载荷幅值y的长期概率密度f(y)是对应的短期概率密度f0(y)的加权组合：

(6)

式中：pi(H1/3,T)为有义波高H1/3和平均周期T的函数代表某海况出现的概率；α为航向角；U为航速；pj(α)为航向角的概率；pk(U)为航速的概率；n0为短期海况中单位时间内波浪载荷响应的平均循环次数。

3 环境烈度因子在校核中的应用

环境烈度因子β可以修正规范总纵弯矩、剪力从而影响船体剪切面积与剖面模数；通过修正规范中液舱水压力等局部载荷，从而影响结构局部构件尺寸。基于环境烈度因子修正原理，也可实现采用船舶三舱段计算方法进行指定作业地点环境条件下的总体强度与疲劳分析[5-6]。典型的载荷修正方法如下：

对总纵弯矩的修正方式：

MWS=-k1βVBMC1L2B(Cb+0.7)×10-3

MWh=+k2βVBMC1L2BCb×10-3

(7)

式中：βVBM为垂向弯矩环境烈度因子；k1，k2为规范修正系数，k1=110，k2=190；C1为与船长相关系数，取为10.5；L为船长；B为船宽；Cb为方形系数。

对舷外水压力的修正方式：

pes=ρg(hs+βEPSkfkuhde)

(8)

式中：βEPS为舷外水压力烈度因子；kf为与计算点位置和相位相关的系数；ku为载荷系数，通常取1；hde为水动压头；hs为静水压头；ρg为指定海水重量，ρg=1.005 N/cm2·m。

4 算例分析

目标算例钻井船为带有试采功能的第七代超深水钻井船，除常规钻井船的钻井功能外，目标船带有初期的试采与储油功能为典型的船形海工结构。该船作业水深3 600 m，钻井深度可达15 200 m。目标船主要作业海域为南海，同时具备在巴西、西非海域作业的能力，具备全球航行能力，所以其在航行工况时需要满足北大西洋20 a一遇海况条件。

本文首先对用于构件尺寸初始设计以及总纵强度分析[7]的几个典型环境烈度因子进行了计算，其次分别按照三种作业工况下的不同海况条件以及北大西洋海况进行了波浪载荷以及运动响应的长短期分析，最终通过比较得出对应各个控制载荷的环境烈度因子。

4.1 钻井船主尺度信息

算例钻井船湿表面模型要考虑钻井船月池开口对排水量的影响，以保证全船湿表面网格的正交性。水动力分析所需的湿表面模型如图1所示。

图1 湿表面模型

将全船质量模型划分为20站，精确统计每一站船体的重量、重心以及转动惯量，保证船体实际排水量与重量误差不超过1%。

算例船主尺度信息见表2。

表2 主尺度信息

4.2 典型控制载荷及其计算位置选取

计算点位置的选取遵循满足所选位置的控制载荷[5]为最危险位置，同时要与美国船级社“船规”公式中的波浪载荷或运动响应的计算位置保持一致，以保证计算得到的环境烈度因子能够真实反映指定作业海域的海况条件，保证烈度因子能够准确地修正“船规”中的载荷，满足“指南”中的要求。典型的用于结构构件尺寸初始设计的载荷计算位置见表3。

表3典型控制载荷计算位置m

控制载荷计算点位置距艉垂线距离距中纵剖面横向距离距离基线高度船中垂向波浪弯矩116010.0垂向波浪剪力17409.0船中水平波浪弯矩116010.0水平波浪剪力17409.0横向加速度11621.722.4纵向加速度232022.4

4.3 计算条件

船舶结构构件尺寸基于结构吃水进行设计，本文选取钻井船最大吃水时的满载工况作为环境烈度因子的计算工况，吃水选取结构吃水12.5 m。

作业工况Ls的计算，选取短期海况有义波高8.5 m，平均跨零周期7～10 s;风暴自存工况选取有义波高13.5 m，平均跨零周期10～13 s。由于目标钻井船要求具备全球航行能力，所以迁移工况的海况选取北大西洋海况，回归周期为20 a与计算Lu时的海况相同。在作业工况中同时选取指定南海作业地点的波浪散布图进行长期分析，回归周期取为1 a一遇。计算中短期海况的波浪谱采用JONSWAP谱，参数γ取3.3。

计算Lu时选取北大西洋散布图进行设计载荷的长期分析，回归周期取为20 a。

4.4 钻井船典型运动与载荷幅频响应算子

基于水动力分析Precal软件，计算得到目标钻井船典型的载荷与运动响应如图2～图5所示。

4.5 典型控制载荷烈度因子计算结果

在船舶波浪载荷计算[6]中，作业工况载荷通常以长期统计值作为设计值，而短期值作为参考。为保证环境烈度因子选取的准确性，这里作业工况分别针对短期与长期环境条件进行计算，选取最大值作为Ls的计算值。通常短期3 h海况更能合理地描述短期风暴环境，所以自存工况采用短期分析值作为Ls计算值。本文所选目标第七代钻井船需满足全球航行要求，所以这里选取北大西洋散布图作为迁移工况下的长期设计海况条件。

本文以总纵强度相关的四个环境烈度因子以及横向、纵向加速度烈度因子为例，给出了作业工况各个控制载荷长短期值的比较过程，其结果见表4。

风暴自存工况与迁移工况的环境烈度因子分别见表5、表6。

图2 垂向波浪弯矩幅频响应算子

图3 垂向波浪剪力幅频响应算子

图4 垂向波浪剪力幅频响应算子

图5 水平波浪剪力幅频响应算子

控制载荷指定作业地点载荷极值Ls北大西洋海况载荷极值Lu烈度因子ESF短期统计值(指定短期海况)长期统计值(指定作业地点散布图)长期统计(北大西洋散布图)Ls/Lu垂向弯矩VBM/(N·m)-2.282×109-2.263×109-3.746×1090.609水平弯矩HBM/(N·m)1.409×1096.465×1081.733×1090.813垂向剪力VSF/N-2.922×107-2.525×107-4.461×1070.655水平剪力HSF/N2.183×1079.600×1062.824×1070.773横向加速度 TAC/(m·s-2)5.2934.9826.3700.831纵向加速度LAC/(m·s-2)1.1281.0231.4700.768

表5 风暴自存工况下总纵弯矩剪力烈度因子

表6 迁移工况下总纵弯矩剪力烈度因子

作业工况的环境烈度因子全部小于1，说明对于第七代超深水钻井船来说，作业工况的长短期海况条件烈度要小于北大西洋海况条件，因为作业工况下的海况需满足钻井船钻井作业需要，其极限海况一般会小于北大西洋海况。而在风暴自存工况中部分载荷的烈度因子大于1，表明对于这些控制载荷，钻井船的设计风暴海况相比北大西洋海况对于目标船来说更加恶劣。由于第七代超深水钻井船需满足全球航行要求，其迁移工况烈度因子为1，表明其迁移工况环境条件与北大西洋海况的烈度一致。