海洋平台应急撤离系统的运动特性

陈海龙， 冯 陈， 任少飞， 王诗平， 孔凡凯

(哈尔滨工程大学 a. 船舶工程学院; b. 机电工程学院，哈尔滨 150001)

海上应急撤离系统是海难发生时协助人员从登乘甲板迅速转移到救生艇/筏的救生设备，主要装备于各类客滚船和海洋平台。[1]典型海洋平台应急撤离系统[2]，见图1。

随着我国海洋事业发展逐步迈向深海，海洋平台的发展取得一系列成就，但作为关键配套装备的海洋平台应急撤离系统的设计和生产技术一直被国外厂商垄断。我国虽然已成功研制出用于滚装船的小尺度海上应急撤离系统，但对于大型垂直式海洋平台应急撤离系统的研发尚处于起步阶段，相关文献局限于其功能介绍[3-5]，尚未对海洋平台应急撤离系统在极端工作环境下的运动和受力特性进行深入探讨。

针对撤离系统的研究，国外学者多采用试验和数值分析方法。NOLAN[6]开展坡道式撤离系统的缩比模型试验，对撤离系统在波浪作用下的运动特性与力学特性进行分析，得出影响撤离系统运动特性的环境与结构部分参数。SMITH[7]设计风浪联合作用下坡道式撤离系统试验方法，得出撤离系统对母船姿态、风向和布放位置比较敏感。数值研究方面：

1) 将撤离滑道简化为连续质量点见图2，从而构建各质量点之间的多体动力学模型。RAMAN-NAIR等[8]应用该方法解决了坡道式撤离系统在风浪流作用下运动响应问题。

2) 借助大型有限元软件，建立有效的三维数值计算模型，研究在复杂海洋环境下撤离系统的动态响应规律。相比于第一种，有限元方法计算效率更高，但目前该方法尚无研究成果公开发表。[9]

图2 撤离滑道简化为连续质量点示意[8]

基于有限元软件ABAQUS/AQUA，分析风流耦合下海洋平台应急撤离系统的运动特性，通过与理论值对比，验证有限元方法的可行性，在此基础上提出一种极端海况下海洋平台应急撤离系统的安全性评估方法。

1 撤离系统三维数值模型

以国际知名厂商维京公司生产的海洋平台应急撤离系统为研究对象，其安装在海洋平台登乘甲板上，安装高度为28.95 m。释放时操作人员通过绞车将救生筏和登乘平台等水上救生设备平稳下放到海平面，下放过程中撤离滑道依次展开，人员通过撤离滑道转移到登乘平台，进而通过系泊在登乘平台上的救生筏转移到安全区域。海洋平台应急撤离系统各部件的参数[2]见表1。

表1 撤离系统参数

撤离滑道由芳纶纤维编织成的紧密六边形网结构构成，主要承受风载。不考虑滑道编织网的局部形变，忽略滑道表面纤维网的建模。由于系统受力的过程，将撤离滑道纤维网所受风载等效到同一水平面对应的配重钢丝绳和支撑钢圈上。

采用ABAQUS[9-11]建立海洋平台应急撤离滑道简化模型见图3，钢丝绳和支撑钢圈的截面直径均为0.01 m，钢丝绳总长33.75 m，支撑钢圈共27个，钢圈直径1.20 m，垂直间距1.25 m，共计6 120个B31单元。钢丝绳和支撑钢圈的材料属性为：密度ρt=7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比λ=0.3。

在同一海洋环境下撤离系统的位移幅值与海洋平台相差很大(见图4)。[9]在8级风作用下，撤离系统位移响应幅值为3.91 m，而海洋平台的位移响应不到0.01 m。故忽略海洋平台进行建模，将撤离系统顶端节点边界条件设置为U1=U2=U3=0，将底端所有节点与底端中心处参考点设置耦合，底端参考点完全自由。

图3 海洋平台应急撤离系统有限元模型图4 风作用下海洋平台与撤离系统位移云图

2 载荷分布

除重力外，海洋平台应急撤离系统承受的环境载荷主要有流载荷、风载荷和波浪载荷等。从空间分布而言：水面以上的撤离滑道主要承受风载荷，登乘平台展开后浸水部分主要承受波浪和流载荷，撤离人员与水面以上登乘平台主要承受风载荷；水下配重块则主要承受波浪载荷和流载荷。

2.1 系统重力

重力载荷包括滑道和配重块两部分，滑道的网结构质量等效分配到支撑钢圈和承重钢丝上；配重块同时承受重力和浮力载荷，将二者等效为集中力施加在滑道末端，方向竖直向下。根据文献[2]得到系统各部分质量参数如下：配重块mt=1 539 kg，登乘平台和撤离人员mlp=1 230 kg，单位长度滑道质量mc=6.8 kg/m。

2.2 流载荷

登乘平台水下部分所承受的流载荷[12]为

(1)

式(1)中：ρs为海水密度；Ac为作用面积；Cc为结构拖曳系数；Vc为水面表层流速。根据文献[2]ρs取1 025 kg/m3，Ac取0.6 m2，Cc取1.5，Vc取1 m/s。

2.3 风载荷

对于极端风载情况，其1 h内风速[12]为

U={1+[0.057 3(1+0.15U0)1/2]×ln(z/z0)}[1-0.41Iuln(t/t0)]U0

(2)

式(2)中：U0为距海平面参考高度z0处；t0时间内的平均风速；z为距离海平面高度。根据规范z0取10 m，t0取3 600 s。湍流强度因子Iu[12]为

Iu=0.06[1+0.043U0](z/z0)-0.22

(3)

登乘平台和撤离人员所受风载荷[12]为

(4)

式(4)中：ρa为空气密度；Clp为登乘平台和撤离人员的拖曳系数；vlp为登乘平台高度处的风速；Alp为登乘平台和撤离人员的暴露面积。根据文献[2]ρa取1.29 kg/m3，Clp取1.2，受风面积Alp取10.68 m2，vlp取高度为0.5 m处风速。

滑道所受总的风载荷[2]为

(5)

式(5)中：zm为撤离箱的安装高度；Cch为滑道拖曳系数；D为结构等效直径；ts为平均滑道响应时间。根据文献[2]Cch取0.282，ts取3 600 s。

作用于登乘平台的等效风力[2]为

(6)

综合以上载荷分布，根据受力平衡原则，建立平衡方程[2]为

(7)

式(7)中：l为滑道受力伸长后的长度。解此方程可得撤离滑道在风流耦合作用下的稳定倾斜角α，由倾斜角α可算得登乘平台的水平位移。

3 结果对比与分析

由于海洋平台应急撤离系统的对称性，风向仅取x正方向，海流与风向一致。设置2个分析步进行数值计算：第一个分析步为静态分析，施加重力和流载荷；第二个分析步为隐式动态分析，施加风载荷。采用数值方法得到不同风速条件下撤离系统风流耦合作用位移云图见图5。[9]

由式(1)～式(7)受力平衡方程得在不同风速条件下应急撤离系统水平位移理论值，并将其与本文数值方法计算结果进行对比，其中数值解取为底端参考点处位移，计算结果见表2。

a) U0=5 m/sb) U0=10 m/sc) U0=15 m/s

d) U0=20 m/se) U0=25 m/sf) U0=30 m/s

g) U0=35 m/sh) U0=40 m/s

图5 海洋平台应急撤离滑道位移云图

表2 撤离系统位移数值解与理论值对比

撤离系统风速-位移理论值曲线与本文的数值解见图6。由曲线可知：采用ABAQUS/AQUA软件模拟得到的海洋平台应急撤离系统响应与理论计算结果吻合良好，验证数值方法的有效性；同时，海洋平台应急撤离系统最大位移随风速的增加而增大，且与风速呈非线性关系。[9]

图6 撤离系统风流耦合作用位移对比图

4 安全性评估

海洋平台应急撤离系统可能应用于极端海洋环境下，在使用过程中滑道末端不允许与登乘平台产生脱离，否则人员到达滑道末端时登乘平台与滑道出口存在垂向间隙，人员将处于悬空状态，对人员安全造成极大威胁。考虑风浪联合作用时海洋平台应急撤离系统安全性校核办法，文献[2]给出安全性校核条件为

l1=1.15zm

(8)

(9)

上述校核办法包括两部分，在原安装高度的基础上增加15%的裕量如式(8)所示，考虑风浪联合作用时，由式(9)可得出其校核示意见图7。此方法考核的安全临界点是滑道末端即登乘平台恰好处于波峰位置时，此时滑道长度需同时满足l1≤L和l2≤L，其中L为滑道允许拉伸最大长度。

考虑风浪耦合作用下系统最危险的时刻为登乘平台随波浪运动恰好处于波谷位置时，此时若要达到安全标准所需滑道长度最长(见图8)[9]，因此风、浪、流等载荷产生的水平位移量应满足[9]

(10)

根据不同海况条件下的系统响应，得到安全性校核考核表(见表3)。

图7 文献[2]安全校核标准 图8 本文安全校核标准

表3 安全性校核对比表

根据风力等级表，8级风时风速为17.2 m/s至20.7 m/s，自由海面浪高5.5～7.5 m，取最大值计算所需滑道长度为33.42 m，撤离系统可安全使用。9级风时，最大波高为10 m，大于9.6 m，故撤离系统在使用过程中存在一定的危险性。

综上所述，文献[2]的评估方法显示在风速大于28 m/s时，系统仍具备一定的安全性。而按照本文提出的校核标准，风速大于24 m/s后，系统在使用过程中便丧失一定的安全性，此考核办法偏于保守，对救生设备的安全性提出更高要求，这也对以后的国产海洋平台应急撤离系统的研发具有一定的参考价值。

5 结束语

基于ABAQUS/AQUA建立海洋平台应急撤离系统在风流耦合载荷作用下的运动响应的三维数值模型，通过与理论值进行对比，验证本文数值方法的有效性，为后续研究风、浪、流耦合等复杂海洋环境中撤离系统动态响应问题奠定数值基础。同时，计算结果表明海洋平台应急撤离系统最大位移随风速的增加而增大，且与风速呈非线性关系。在此基础上，提出一种更为严格的极端海况下海洋平台应急撤离系统的安全性评估方法。