楊 玥， 蔣 安

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海200011)

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)波浪載荷敏感性分析

楊 玥， 蔣 安

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海200011)

基于三維勢流理論對半潛式生產(chǎn)平臺(tái)波浪載荷響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，并通過優(yōu)化分析，以4個(gè)平臺(tái)主尺度為變量進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，研究平臺(tái)主尺度變化對平臺(tái)波浪載荷的影響。利用譜分析預(yù)報(bào)方法，研究波浪浪向及周期對平臺(tái)波浪載荷的敏感性，結(jié)合波浪載荷傳遞函數(shù)的特征，討論以較危險(xiǎn)的波浪載荷及組合波浪載荷確定設(shè)計(jì)波的方法。得到目標(biāo)半潛式平臺(tái)主尺度變化對波浪載荷的變化特點(diǎn)，為主尺度選型提供參考；總結(jié)平臺(tái)波浪載荷對波浪方向及周期敏感性影響的特點(diǎn)及主控設(shè)計(jì)波選擇方法，為半潛式生產(chǎn)平臺(tái)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)；主尺度；波浪載荷；敏感性分析；設(shè)計(jì)波分析

0 引言

隨著海洋油氣的開發(fā)，半潛式平臺(tái)以其良好的綜合性能得到了廣泛應(yīng)用。深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)在位作業(yè)時(shí)間長，受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷聯(lián)合作用，情況較復(fù)雜。對于大型海洋平臺(tái)，目前工程上認(rèn)可的較先進(jìn)的半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度評估方法是基于直接計(jì)算的評估方法[1]。波浪載荷是半潛式平臺(tái)強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安全評估中一個(gè)非常重要的載荷之一[2]，多采用設(shè)計(jì)波法評估波浪載荷。

在半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)之初，進(jìn)行波浪載荷主尺度敏感性分析，了解平臺(tái)主尺度變化對波浪載荷的影響，對主尺度選型有一定輔助作用。在平臺(tái)總強(qiáng)度分析階段，進(jìn)行浪向、周期敏感性分析，正確評估最危險(xiǎn)的目標(biāo)波浪載荷或組合，對確定設(shè)計(jì)波及半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要作用。

本文對一艘作業(yè)于南海的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行波浪載荷響應(yīng)的數(shù)值分析，研究平臺(tái)主尺度、波浪浪向及周期對波浪載荷的敏感性。通過優(yōu)化分析方法，以4個(gè)平臺(tái)主尺度為變量，進(jìn)行波浪載荷預(yù)報(bào)，研究平臺(tái)主尺度與平臺(tái)波浪載荷的變化關(guān)系，進(jìn)而可以在設(shè)計(jì)初期判斷主尺度的調(diào)整對總強(qiáng)度載荷的影響。研究波浪浪向及周期對平臺(tái)波浪載荷的敏感性，結(jié)合波浪載荷傳遞函數(shù)的特征，確定目標(biāo)波浪載荷及組合目標(biāo)波浪載荷，進(jìn)而分析確定設(shè)計(jì)波的方法。

1 平臺(tái)主尺度對波浪載荷敏感性

在進(jìn)行生產(chǎn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)之初，對波浪載荷的敏感性分析，意在通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，變化平臺(tái)主尺度并進(jìn)行波浪載荷分析預(yù)報(bào)，研究平臺(tái)尺度與平臺(tái)波浪載荷的變化關(guān)系。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)選型時(shí)，盡量避開造成較危險(xiǎn)波浪載荷的平臺(tái)尺度范圍及組合，為主尺度選型提供參考依據(jù)。

分別對平臺(tái)總長、立柱寬、立柱高及下浮體深4個(gè)平臺(tái)主尺度進(jìn)行波浪載荷敏感性分析。利用優(yōu)化分析方法[3]，將4個(gè)主尺度作為變量，在一定范圍內(nèi)變化變量值，并以排水量及穩(wěn)心高為控制條件，限定控制條件變化范圍，根據(jù)主尺度變量更新生成變化的濕表面模型及質(zhì)量模型，進(jìn)行平臺(tái)水動(dòng)力及載荷分析、波浪載荷短期預(yù)報(bào)，得到波浪載荷隨這4個(gè)尺度變量的變化曲線。主尺度敏感性分析過程利用優(yōu)化軟件OPTIMUS集成建模及水動(dòng)力分析軟件SESAM，分析及調(diào)用流程如圖1所示。變化4個(gè)主尺度，每一步變化1個(gè)主尺度變量，4個(gè)主尺度變化范圍及變化步長見表1。循環(huán)圖1的流程，即可得到主尺度變化對各波浪載荷變化的曲線。

圖1 利用優(yōu)化方法進(jìn)行主尺度敏感性分析流程

表1 生產(chǎn)平臺(tái)主尺度變化范圍及步長

根據(jù)變化的主尺度自動(dòng)生成的計(jì)算模型(濕表面模型、質(zhì)量模型)如圖2所示。利用此模型進(jìn)行水動(dòng)力分析，得到幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator, RAO)后，進(jìn)行波浪載荷短期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)取南海五百年一遇環(huán)境條件，即：Hs=15.2m，Tp=16.1s，Tz=12s。

圖2 尺度敏感性分析計(jì)算模型示意

保持其他3個(gè)尺寸變量不變，另一個(gè)尺寸變量從最小值變化到最大值時(shí)，對應(yīng)波浪載荷的短期預(yù)報(bào)值增大的百分比見表2。

表2 波浪載荷變化百分比 %

由表2可以看出：(1) 在限制總吃水量在80 000～85 000 t的范圍內(nèi)(主尺度敏感性分析控制條件)，立柱高度對目標(biāo)波浪載荷變化影響最小。(2) 從目標(biāo)波浪載荷來看，縱向分離力、縱向剪力及上部模塊加速度受平臺(tái)主尺度變化影響較小，其中：立柱寬度變化對縱向分離力和縱向剪力的影響相對較大，立柱寬度增加會(huì)使這兩個(gè)波浪載荷增大。(3) 縱向扭矩及垂向彎矩受平臺(tái)主尺度(總長、立柱寬度、下浮體深)變化影響較大，其中：下浮體深度的變化對這兩個(gè)目標(biāo)波浪載荷影響最為明顯，總長改變對扭矩的影響也很大。

對于縱向扭矩，影響最大的尺寸參數(shù)為總長及下浮體深度。圖3和圖4分別為縱向扭矩RAO幅值及預(yù)報(bào)值隨總長的變化曲線。圖5和圖6分別為縱向扭矩RAO幅值及預(yù)報(bào)值隨下浮體深度變化的曲線。由圖3～圖6可以看出，縱向扭矩RAO幅值及預(yù)報(bào)值大體上隨下浮體深度和平臺(tái)總長的增加而增加。在總長85.0～87.5 m變化時(shí)，縱向扭矩RAO幅值逐漸減小但預(yù)報(bào)值增大，這是由于其固有周期逐漸靠近波浪周期造成的。

圖3 縱向扭矩RAO幅值隨總長變化曲線

圖4 縱向扭矩預(yù)報(bào)值隨總長變化曲線

圖5 縱向扭矩RAO幅值隨下浮體深度變化曲線

圖6 縱向扭矩預(yù)報(bào)值隨下浮體深度變化曲線

對于垂向彎矩，影響最大的尺寸參數(shù)為下浮體深度及立柱寬，圖7和圖8分別為垂向彎矩RAO幅值及預(yù)報(bào)值隨下浮體深度變化的曲線。圖9和圖10分別為垂向彎矩RAO幅值及預(yù)報(bào)值隨立柱寬度變化的曲線。由圖7～圖10可以看出，垂向彎矩RAO幅值及預(yù)報(bào)值均隨下浮體深度和立柱寬度增加而增加。

圖7 垂向彎矩RAO幅值隨下浮體深度變化曲線

圖8 垂向彎矩預(yù)報(bào)值隨下浮體深度變化曲線

圖9 垂向彎矩RAO幅值隨立柱寬變化曲線

圖10 垂向彎矩預(yù)報(bào)值隨立柱寬變化曲線

2 波浪浪向?qū)Σɡ溯d荷敏感性

通過以上主尺度敏感性分析結(jié)論，結(jié)合平臺(tái)主尺度選型的其他影響因素，確定平臺(tái)的主尺度見表3。

系統(tǒng)軟件功能主要包括:智能拐杖終端軟件和手機(jī)端監(jiān)測軟件。其中,在智能拐杖終端軟件中,UM220模塊獲取時(shí)間、空間信息以及移動(dòng)速度,體溫傳感器獲取老人體溫,心率傳感器獲取老人心率,移動(dòng)狀態(tài)判斷模塊判斷老人移動(dòng)狀態(tài),LCD1602顯示數(shù)據(jù),GSM無線數(shù)據(jù)傳輸。手機(jī)端監(jiān)測軟件“北斗手杖”接收終端發(fā)送的信息。該系統(tǒng)的智能拐杖終端軟件流程如圖7所示。

表3 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)主尺度

對目標(biāo)波浪載荷進(jìn)行浪向敏感性分析，意在確定雙目標(biāo)波浪載荷的設(shè)計(jì)波?；谠撈脚_(tái)確定尺寸后的波浪載荷RAO結(jié)果，發(fā)現(xiàn)橫向分離力與縱向剪切力的RAO峰值周期相近，說明海況周期在RAO峰值周期附近時(shí)，這2組波浪載荷可能同時(shí)達(dá)到最大，或其組合效應(yīng)最大，因此需考慮這2組波浪載荷的組合效應(yīng)[4]。對這2組波浪載荷在其對應(yīng)的最大浪向范圍內(nèi)(135°～180°)進(jìn)行浪向敏感性分析，加密至5°間距。計(jì)算得到的RAO結(jié)果如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，在7.0～7.5 s，10 s時(shí)，2組RAO均出現(xiàn)峰值。

圖11 橫向分離力RAO曲線

圖12 縱向剪切力RAO曲線

分別對2組波浪載荷進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，取南海五百年一遇環(huán)境條件，預(yù)報(bào)結(jié)果見表4。由表4可以看出，在浪向?yàn)?65°時(shí)，雖然分離力和縱向剪切力的預(yù)報(bào)值均未達(dá)到最大值，但合力達(dá)到最大。確定分離力及縱剪的組合目標(biāo)載荷的設(shè)計(jì)波，即浪向165°，周期選擇分離力較大的周期10.5 s。

表4 分離力及縱剪力浪向敏感性分析結(jié)果

3 波浪周期對波浪載荷敏感性

對波浪載荷進(jìn)行波浪周期敏感性分析，通過在合理周期范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，得到最危險(xiǎn)的目標(biāo)波浪載荷預(yù)報(bào)值。根據(jù)船級社規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)，海況跨零周期Tz在12.0s±2.0s范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)波浪載荷搜索。

對目標(biāo)載荷進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，浪向指定為各目標(biāo)載荷的最大響應(yīng)幅值方向。表5為各目標(biāo)載荷對波浪周期敏感性分析對比結(jié)果。

表5 目標(biāo)載荷對波浪周期敏感性分析結(jié)果

由表5可知：周期越小，各波浪載荷的響應(yīng)預(yù)報(bào)值越大。對比各波浪載荷RAO曲線可以看出：越靠近載荷固有周期，響應(yīng)值越大。

4 結(jié)論

本文對一艘半潛式生產(chǎn)平臺(tái)波浪載荷的敏感性進(jìn)行分析，研究平臺(tái)主尺度、波浪浪向及周期對波浪載荷的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1) 通過平臺(tái)尺度的波浪載荷敏感性分析，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)立柱高度對目標(biāo)波浪載荷變化影響最小；下浮體深度、總長及立柱寬對生產(chǎn)平臺(tái)波浪載荷影響較大，主要為對于縱向扭矩及垂向彎矩的影響，在進(jìn)行主尺度選型時(shí)，可以適當(dāng)參考，避免較危險(xiǎn)的波浪載荷組合。

(2) 確定尺寸平臺(tái)波浪載荷的分析，對載荷響應(yīng)固有周期接近的兩組目標(biāo)載荷進(jìn)行浪向敏感性分析，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)最大載荷產(chǎn)生的浪向之間存在使其合力最大的浪向角，得到以雙目標(biāo)載荷確定的設(shè)計(jì)波。

(3) 對平臺(tái)進(jìn)行周期的波浪載荷敏感性分析，發(fā)現(xiàn)波浪周期越接近載荷響應(yīng)固有周期，得到的波浪載荷預(yù)報(bào)值越大，得到在合理波浪周期范圍內(nèi)最危險(xiǎn)的波浪載荷，作為確定設(shè)計(jì)波及平臺(tái)總強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)。

[1] 馮國慶，任慧龍，李輝，等. 基于直接計(jì)算的半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度評估[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009(03)：255-261.

[2] 韓榮貴,時(shí)磊,王金光，等. 半潛式平臺(tái)總體波浪載荷的幾種算法對比[J]. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師, 2013(01)：38-40.

[3] Noesis Solutions Optimus Theoretical Background [M]. Gaston Geenslaan 11, B4-3001 LEUVEN,2013.

[4] ABS. Floating Production Installations [S]. 2012.

Wave Induced Loads Sensitivity Analysis for Semi-Submersible Production Unit

YANG Yue， JIANG An

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Sensitivity analysis for a induced loads for a semi-submersible production unit in South China Sea is presented, with the consideration of principal dimension, wave direction and period. Numerical analysis is carried out for wave load responses of the semi-submersible based on three-dimensional potential theories. With the help of optimized method, the impacts to wave induced loads by four variation principal dimensions are discussed. The critical wave loads and combination are evaluated as parameters of design waves by sensitivity analysis for wave induced loads of wave direction and period. The rules of changing on wave induced loads with principal dimension and wave direction and period are summarized, so as to make a conclusion for the subsequent design and structure research of semi-submersible production unit.

semi-submersible production unit; principal dimension; wave induced load; sensitivity analysis; design wave analysis

2016-05-27

工信部聯(lián)裝[2012]534號(hào)批文“深海半潛式生產(chǎn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”

楊 玥 (1988-)，女，工程師

1001-4500(2017)02-0074-07

F416.22

A