渤海海域导管架平台船舶撞击性能分析

2021-01-09温生亮尹光荣

石油和化工设备 2020年12期

温生亮，尹光荣

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

近年来，随着海洋石油开采的不断发展，一座座海上石油平台在海域建立，在某些海域，石油平台的密度已接近饱和。如此高密度的石油平台在安装阶段，乃至整个寿命周期内，都有被船舶撞击的风险。虽然大多数平台都安装有靠船装置，以降低供应船等船舶作业时碰撞平台对平台造成损伤，但意外情况仍难免发生。船舶撞击平台轻则造成结构凹陷变形，重则导致平台倾覆倒塌。据了解，我国渤海海域一座四腿的导管架井口平台的工程投资约为数十亿元人民币。所以，船舶撞击石油平台的分析研究至关重要。

API、DNVGL、ISO 19902等海洋结构物相关规范都有涉及船撞分析指导做法，但较为笼统，相关参数选取不符合我国海域实际情况。本文以渤海某项目为依托，在进行参数适应性研究的基础上，采用SACS软件collapse模块对船撞分析进行较深入的研究，圆满完成了工程设计任务。

1 基本原理

船舶撞击平台的分析研究按照时间历程可分为两个过程：撞击阶段的研究和撞击后的分析研究。

（1）撞击阶段。碰撞的过程实质是一个能量的转换与传递的过程。研究是建立在机械能守恒的基础之上。因为碰撞的过程很短暂，可以将其视为一个准静态的过程。船舶撞击平台是典型的非弹性碰撞。碰撞前，运动的船舶具有动能，碰撞接触的一瞬间，船舶的动能一部分转化为平台的动能，另一部分被平台和船舶自身吸收，转化为平台和船舶的应变势能。

为了简化问题，本文的研究进行以下假设：①船体为刚体；②船舶与平台碰撞后均静止。这样，碰撞过程中，船舶的动能全部转化为平台结构的应变势能，包括：

(a)受冲击构件因凹陷和梁弯曲而产生的局部变形。(b)整个结构的整体变形。

（2）撞击后的分析。研究平台在遭受撞击后，损坏构件在不修复的情况下，在一年一遇的最大环境荷载下，是否可以正常工作，以保证充足的时间对结构进行修复。

2 撞击背景及参数选取

2.1 撞击能量

船撞的主要能量是船舶动能。动能公式：

E -撞击能量，MJ；a -附连水质量系数；m -船舶质量，MT；v -撞击速度，m/s

2.1.1 船舶质量

关于船舶质量，NORSOK N-003[1]，ISO/CD 19902[2]，DNVGL[3]中指出在北海区域推荐选用排水量5000MT的船舶。本文参照规范推荐值并结合渤海区域过往船只和补给船的吨位选用了5400MT船舶进行计算。

2.1.2 附连水质量系数

附连水质量系数的选取，根据ISO 19902[2]规定，其与船舶大小和船舶撞击平台的船舶的撞击部位有关。5000吨级以上的船舶，当船侧撞击平台时系数取1.4；当船艉或船艏撞击平台时系数取1.1。小于5000吨的船舶，附连水质量系数可以增加到1.6和1.4。API[4]中推荐附连水质量系数与船舶大小无关，只与撞击时船舶的撞击方式有关，当侧撞时取1.4，船艉或船艏撞击时取1.1。综合两本规范推荐值，根据2.1.1节船舶吨位，本文使用的附连水质量系数为1.4，按照船舶侧面撞击平台考虑。

2.1.3 撞击速度

撞击速度需要分低能量水平撞击速度和高能量水平撞击速度两种情况进行考虑。

（1）低能量水平的撞击速度。此时船舶没有失去动力，撞击平台前有自我控制能力。API[4]，DNVGL[3]，ISO19902[2]等规范一致推荐的值为0.5m/s。

（2）高能量水平的撞击速度。此时船舶失去动力，船舶在波浪的推动下撞向平台。NORSOK N-003[1]，ISO19902[2]，DNVGL[3]，等规范对于此种情况给出的推荐速度是2m/s。ISO19902[2]中指出：在海浪高度约为4m时，高能量船撞的船舶速度推荐使用2m/s。以上规范给出的建议速度均是针对挪威北海海域。而本项目位于我国渤海湾区域，根据气象水文资料，本项目所处的渤海海域波浪情况如表1，渤海海域与北海海域浪高曲线如图1。

表1 渤海海域年平均波高频率表

曲线Ⅰ：渤海海域波高曲线；曲线II：挪威北海海域波高曲线，Hs≤4m；曲线III：挪威北海海域全年波高曲线。

图1 渤海与北海波高、频率曲线图

曲线II仅统计了挪威北海海域波高小于等于4m的情况，这是考虑到如果波高大于4m时，补给船将被禁止靠近平台。

从图1可以看出，渤海海域海浪超过2m的概率约8%，超过4m的概率仅为0.43%。而挪威北海海域全年波浪高度超过4m的概率达20%[5]。因此，规范上建议的2m/s撞击速度显然不适合我国渤海海域。

本文建议以10个百分点为特征值进行研究，渤海区域超越概率10%对应的浪高是1.8m，而挪威北海区域对应的浪高是3.4m（曲线II），如果对应曲线III的话，可以达到5m。说明在90%的概率下，渤海海域的波高仅是挪威北海海域的1/2。

根据文献[6]，船舶漂移速度与浪高的关系为：

v -船舶漂移速度，m/s；Hs-有义波高，m；

综上，本文建议渤海海域船舶高能量撞击的撞击速度为1m/s。

2.2 撞击模拟

2.2.1 撞击区域

碰撞区域是指船舶可能撞击平台任何一侧的区域，包括导管架腿、斜撑等。本文仅研究船舶以一个方向撞击导管架主腿的情形。

碰撞区域的垂直高度应根据船舶吃水深度、波高和潮位高度确定。NORSOK N-003[1]中给出的撞击范围建议值是撞击海域天文潮高潮位（HAT）以上13m和最低天文潮低水位（LAT）以下10m。通常情况5000t补给船型深7～8m。显然如果船舶侧向撞击平台，这个建议撞击区域偏大。

图2是渤海海域典型补给船尺度图，船舶水线到底部平线距离为2918mm，到舷侧距离为5080mm。如前文2.1.2节所述，本文考虑船舶侧向撞击平台，故撞击范围取LAT-3m～HAT+5m。本文研究的导管架平台海域高潮位（HAT）和低潮位（LAT）分别比平均海平面高0.9m、低0.9m。所以本文选择的撞击区域为以平均海平面（MSL.）为EL(+/-)0.0m的EL.(-)3.9m～EL(+)5.9m范围。并对撞击高点EL(+)5.9m和撞击低点EL.(-)3.9m分别进行模拟撞击研究。

图2 渤海区域典型补给船

2.2.2 撞击力

模拟撞击计算中，在撞击点上根据撞击方向添加撞击力，撞击力按设定的系数逐步增大模拟撞击过程。设定初始撞击力为1000kN。每步均计算撞击力在结构杆件上产生的凹陷值以及撞击能量。当撞击能量达到公式(1)中的值时，计算结束，可以从计算结果中读出杆件产生的凹陷值与结构吸收的总能量。

在SACS中提供了两种撞击力与杆件凹陷值的计算方法，分别是Furnes和Ellinas公式：

Pd-撞击力；MP=1/4 Fyt2-杆件塑性矩；Fy-屈服强度；D,R -杆件直径和半径；t -杆件壁厚；X -凹陷值

Furnes公式与Ellinas公式结果相近，本文选用Furnes公式。

2.2.3 杆件凹陷吸能公式

撞击力作用在结构上，使结构产生凹陷，其撞击能量是撞击力在凹陷深度上的积分，用公式表示为：

将Furnes公式带入公式(5)可以得到：

3 算例结果与分析

3.1 撞击阶段计算结果及分析

SACS软件计算结果汇总如下：

表2 SACS软件计算结果

根据公式(1)撞击总能量：

SACS计算中每一步撞击都会根据撞击力计算出撞击能量和结构凹陷，由于撞击力是初始值的倍数增加，当计算的撞击能量达到船舶撞击能量3.78MJ时计算停止。故SACS计算的总能量会略高于公式(7)计算值。总撞击力在低撞击点和高撞击点分别为22600kN和29800kN，杆件产生的凹陷值分别为16.95cm和7.13cm。撞击力与杆件凹陷值关系曲线图3和图4。

撞击低点导管架腿尺寸为Ø2604×45，撞击高点导管架腿尺寸为Ø2604×80。很显然可得出结论：当撞击能量一定时，被撞击杆件壁厚越大，产生的凹陷值越小。故在导管架平台的设计中，可以通过增加腿的壁厚来降低船舶撞击造成的风险。

图3 低撞击点撞击力与杆件凹陷值曲线

图4 高撞击点撞击力与杆件凹陷值曲线

3.2 撞击后平台结构分析

导管架平台在遭受撞击后，杆件产生局部凹陷。撞击后平台结构性能可从两方面进行分析。（1）利用Dent tubular单元来模拟遭受撞击产生凹陷的杆件。对整体结构施加环境荷载，进行在位情况下的静力分析，验证结构在操作工况下的安全性。（2）使用SACS软件的COLLAPSE模块进行平台倒塌分析计算。在结构凹陷不修复的情况下，将环境力作为变量逐步增加，直至平台倒塌，得到平台倒塌前环境力的增加倍数RSR（安全储备系数）。安全储备系数越大，说明结构越安全。

从图6和图7的计算结果得出：当船舶分别在低点和高点撞击平台后，平台的安全储备系数为20.47和18.27。因此得出结论，船舶在高潮位时撞击平台的风险更大。