半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法

2022-03-08周喜宁李子凡

中国海洋平台 2022年1期

贾君，周喜宁，李子凡

(1.招商局重工(江苏)有限公司，江苏南通 226116；2.招商局重工邮轮有限公司，江苏南通 226000)

0 引言

随着近年来国内制造业的发展，海洋平台的体积越建越大，特别是半潜式平台安装的设备越来越多，对码头系泊的要求越来越高。在码头系泊防台风时，系泊力计算主要考虑风、浪和流等3种环境载荷。由于码头在选址设计时考虑不能有过大的流和浪影响系泊，因此在系泊力计算时，浪和流占比较小，风载荷在码头系泊力计算时是主要载荷。风载荷可通过风洞试验精确得到，但成本较大，且部分船型无法进行风洞试验，工程应用局限性较大。采用数值计算通过有限元分析可得到精度较高的结果，但需要配套专业软件和经验丰富的工程师支持，计算时间长，不适用于码头防台风[1-2]。

本文以1座半潜式钻井平台和1座半潜式风电安装平台为研究对象，采用经验公式计算风载荷并将结果与风洞试验结果进行比较，得到不同经验公式在计算风载荷时的设计裕量，以便在工程应用中更精确地使用经验公式，确保平台在码头系泊时得到精确的环境载荷，从而得到合理的系泊布置方式。

1 理论公式

1.1 API计算公式

在对半潜式平台进行海上系泊分析时，对于输入条件风载荷，一般选用API RP 2SK[3]中的公式进行计算，计算公式为

Fw=Cw∑(CsChA)V2

(1)

式中：Fw为API计算公式中平台受到的风载荷，N；Cw为风力系数，规定为0.615 N·s2/m4；Cs为形状因数；Ch为高度因数；A为垂向投影面积，m2；V为设计风速，m/s。

在采用式(1)计算风载荷时，对结果影响最大的是受风面积统计。式(1)规定：在统计受风面积时，各构件之间的相互影响不予考虑，且独立的大型设备，如起重机、钻台等需要单独统计面积；对于桁架式吊臂，为简便计算，投影面积以桁架外轮廓的60%进行计算；在统计半潜式平台立柱面积时，一般不考虑立柱之间的遮蔽效应，每个立柱的投影面积都需要考虑。

1.2 《港口工程荷载规范》计算公式

针对码头船舶系泊和靠船结构强度分析，国内制定《港口工程荷载规范》[4]，该规范对于常规瘦长型船舶的横向风载荷和纵向风载荷进行计算：

(2)

(3)

式中：Fx,w和Fy,w分别为作用在船舶上横向和纵向风载荷，kN；Ax,w和Ay,w分别为船体水面以上横向和纵向受风面积，m2；Vx和Vy分别为设计风速的横向和纵向分量，m/s；ζ1为风压不均匀折减因数；ζ2为风压高度修正因数。

对于半潜式平台，在采用式(2)和式(3)进行风载荷计算时，各构件的ζ2应单独进行计算，且修正的高度为该构件投影面积的形心距水线面的高度。

1.3 NORSOK规范计算公式

挪威技术标准研究机构认为可将对于阵风不敏感的建筑物当做一个静载来计算，作用在建筑物上的风载荷公式[5]为

(4)

式中：F为NORSOK规范计算公式中平台受到的风载荷，N；ρ为空气密度，取1.23 kg/m3；UH为距水面以上H高度处的风速，m/s，计算式为

(5)

C=0.057 3×(1+0.15U0)0.5

(6)

式中：U0为水面以上10 m处风的参考速度。

2 风洞试验

风洞试验作为一项基本试验，其结果可判断理论计算的准确度[6]。为验证理论公式计算结果的冗余度和各构件对风载荷的影响程度，以2座半潜式平台为研究对象，其具体参数如表1所示。

表1 半潜式钻井平台及半潜式风电安装平台主尺度

对于半潜式钻井平台，采用1∶175的缩尺比进行风洞试验，主甲板上各构件采用3D打印机打印，全方位、全细节地模拟整个平台。试验模型如图1所示。

图1 半潜式钻井平台风洞试验模型

对于半潜式风电安装平台，采用1∶200缩尺比进行风洞试验。对主甲板上的部分构件如风帽、透气管、栏杆、起重机平台斜梯等小型构件进行简化处理。试验模型如图2所示。

图2 半潜式风电安装平台风洞试验模型

平台在码头系泊时，一般处于完工状态或码头舾装状态，此时平台处于迁移吃水或更小吃水工况[7]。在对风载荷进行数据分析时仅考虑迁移工况。对于风洞试验数据，通过坐标系转换，进行无因次化处理，可得到不同方向和单位风速下的风载荷和风载荷对应轴所产生的力矩。无因次化公式为

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：X、Y、Z为3个不同方向上的风载荷，N；K、M、N为3个不同方向对应轴的力矩，NM；Lpp为平台垂线间长，m。

3 数据分析

3.1 数据分析方法

在进行受风面积统计时，结合各构件对平台风载荷的贡献，对部分大型设备面积进行单独计算，简化部分对整体载荷影响不大的构件，如带缆桩、钢丝绳、栏杆、透气管、平台主船体外围管路等，以提高计算效率。同时为验证简化模型对于平台风载荷计算的适用性，都采用各自的规范对简化完毕后模型的所有构件进行受风面积统计。在风洞试验模拟时，半潜式钻井平台采用3D打印技术，对风载荷进行全方位、全细节的模拟，对于半潜式风电安装平台则进行简化模型处理，具体如表2所示。在此基础上，进行风载荷计算，比较计算结果，判断经验公式的冗余度和简化模型的适用性。

表2 不同平台数据分析方法

3.2 侧向风载荷分析

平台侧向风载荷计算结果可用来确定平台在码头系泊时所需横缆的数量和缆绳的强度。在设计之初，对码头区域附近气象台连续20 a的气象观测资料进行分析，挑选环境条件较为温和的区域进行码头设计[8]。结合码头区域历年环境条件，在码头防台风时，一般只考虑蒲氏风级为8级～12级的风载荷，当蒲氏风级超过12级时，一般采用特殊方式避台风，如坐底方式，将平台拖航至风圈以外区域等。在进行风载荷结果比较时，采用经验公式进行不同风速下的理论计算，同时采用风洞试验数据，依据无因次公式换算出8级～12级风速下的侧向风载荷，绘制曲线如图3和图4所示。

图3 半潜式风电安装平台侧向风载荷

图4 半潜式钻井平台侧向风载荷

通过对比发现：

(1)在采用APR RP 2SK和NORSOK公式计算侧向风载荷时，计算结果与风洞试验结果接近，误差在10%以内。在采用《港口工程荷载规范》计算风载荷时，计算结果较为保守，约为风洞试验结果的1.5倍，主要原因是在港口工程中风载荷计算的研究对象为瘦长型的常规船型，对于长度和宽度相差不大的半潜式平台，公式的敏感度较差。

(2)在采用理论公式简化模型以后，采用API和NORSOK经验公式计算的结果与全细节模型模拟风洞试验的结果也非常接近，说明采用API和NORSOK经验公式忽略主要构件之间遮蔽效应的影响等效于忽略次要构件如带缆桩、栏杆、桅杆等带来的影响。

3.3 艏艉向风载荷分析

与常规船舶相比，半潜式平台主甲板露天设备较多，且上船体横向和纵向长度相差较小，艏艉向面积与侧向面积相似，通过计算艏艉向风载荷可确定码头防台风系泊时倒缆数量和强度。依据规范公式和风洞试验数据，可得到不同风速下平台艏艉向风载荷，如图5和6所示。

图5 半潜式风电安装平台艏艉向风载荷

图6 半潜式钻井平台艏艉向风载荷

通过对比得到：

(1)采用NORSOK规范进行计算的结果与风洞试验结果较为吻合，误差在10%以内。对于半潜式钻井平台，API RP 2SK的风载荷计算结果最为接近。对于风电安装平台，其计算结果较风洞试验结果大18%左右，此误差也在可接受范围内。对于采用《港口工程荷载规范》进行计算的风载荷，结果误差在20%以内，主要原因是在计算艏艉向风载荷时，艏艉向风载荷计算因数(49.0)较侧向风载荷计算因数(73.6)小，从而导致在相同投影面积、高度修正系数和形状修正因数下，侧向风载荷计算结果较艏艉向计算结果大。

(2)比较简化模型计算与全细节风洞试验结果，以及简化模型与简化风洞试验结果，可得到对于影响平台风载荷的次要结构，如栏杆、平台外附管路等，可忽略不计。