張興剛，竇培林，孔令海

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

根據(jù)DNV GL-2018 年度油氣行情調(diào)查顯示，隨著經(jīng)濟(jì)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，與資源使用的合理化配置，各國在海洋油氣資源開發(fā)領(lǐng)域投入了大量的物力和財(cái)力，行業(yè)熱情逐漸高漲，特別是深遠(yuǎn)海油氣資源開發(fā)方面。眾所周知，半潛式鉆井平臺(tái)在深遠(yuǎn)海油氣資源開發(fā)中占有重要地位。經(jīng)勘探，我國南海深遠(yuǎn)海海域油氣資源儲(chǔ)量巨大，但是所在位置的海水深度較大，現(xiàn)在主流的鉆井平臺(tái)難以滿足作業(yè)需求[1]。因此，適合超深水海域作業(yè)的鉆井平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)就成為必然。深遠(yuǎn)海海域環(huán)境極其惡劣，對(duì)超深水鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就提出了更高的要求，如果在平臺(tái)設(shè)計(jì)及建造各個(gè)階段都能很好預(yù)測平臺(tái)在各種工況中所受載荷情況，會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到很大的幫助作用，因此對(duì)于設(shè)計(jì)波法的研究十分有必要。

1 典型工況

根據(jù)某半潛式鉆井平臺(tái)在南海長期作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)積累，了解到半潛式鉆井平臺(tái)在設(shè)計(jì)中常常忽略立柱與下浮筒連接的十字節(jié)點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，導(dǎo)致在定期結(jié)構(gòu)檢修時(shí)在該位置常常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋，該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中具有至關(guān)重要的地位。一旦工作中出現(xiàn)問題，后果不堪設(shè)想。因此本文針對(duì)立柱與下浮筒十字連接位置，做進(jìn)一步的波浪載荷探究。

對(duì)于立柱與下浮筒連接位置所受到的力和彎矩分析，對(duì)該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生威脅的特征載荷工況為中縱剖面縱向剪切力和縱向扭轉(zhuǎn)彎矩、中橫剖面橫向分離力和垂向彎矩。文中標(biāo)號(hào)如表1 所示。

2 波陡計(jì)算方法

2.1 規(guī)則波波陡

全球海域風(fēng)暴短期海況的規(guī)則波波陡S計(jì)算公式[2]為：

式中：H為波高；T為周期；DNV 規(guī)范中提出百年一遇的波陡S的計(jì)算公式為：

式中：H100為百年一遇最大規(guī)則波波高，南海海況的H100可設(shè)置為30.69 m。

2.2 不規(guī)則波波陡

不規(guī)則波一般是以短期海況的波高Hs和周期Tz為參考數(shù)值，繪制相應(yīng)的不規(guī)則波波譜。不規(guī)則波波陡的計(jì)算方法為：

式中：Hs為有義波高；Tz為平均跨零周期。百年一遇的不規(guī)則波波陡可采用下式計(jì)算：

3 設(shè)計(jì)波方法

設(shè)計(jì)波方法的本質(zhì)是將結(jié)構(gòu)物置于某種波浪環(huán)境下，通過對(duì)浪向、波高、周期等參數(shù)的組合計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)受載情況，得到能夠使結(jié)構(gòu)物狀態(tài)最不利的一種波浪組合參數(shù)的一種計(jì)算方法[3]。這組最不利的波浪組合參數(shù)就是此工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)。當(dāng)對(duì)局部結(jié)構(gòu)分析時(shí)，局部受載應(yīng)是局部結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)工況下的受力，因此探尋局部結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)工況是一個(gè)必要過程。

3.1 確定性設(shè)計(jì)波法

確定性設(shè)計(jì)波法的計(jì)算過程主要是基于波陡和周期2 個(gè)參數(shù)，通過選定的危險(xiǎn)周期結(jié)合規(guī)則波波陡計(jì)算公式，得到波幅計(jì)算值，再將波幅與對(duì)應(yīng)周期相乘得到一系列載荷，其中最大值對(duì)應(yīng)的波高和周期就是該工況下的規(guī)則波設(shè)計(jì)波參數(shù)，浪向和相位角由最大RAO 決定[4–6]。該方法易操作、計(jì)算速度快。

3.2 隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法

隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法又稱為波浪譜分析法，是一種基于不規(guī)則波波譜進(jìn)行載荷響應(yīng)的短期預(yù)報(bào)，進(jìn)而得到設(shè)計(jì)波基本參數(shù)的波浪載荷預(yù)報(bào)方法。由于隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法在計(jì)算波浪載荷響應(yīng)的同時(shí)，考慮了海況條件的不規(guī)則性和隨機(jī)性，即海浪譜的不確定性、隨機(jī)性。從考慮概率分布不均勻的角度分析，隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法比確定性設(shè)計(jì)波法更科學(xué)，精確度更高[4–6]。

3.3 長期預(yù)報(bào)法

長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法是一種在完整波浪環(huán)境下，基于海域長期統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)波浪載荷進(jìn)行長期預(yù)報(bào)。在計(jì)算過程中認(rèn)為各短期預(yù)報(bào)值相互獨(dú)立，并且均服從Rayleigh 分布，各短期預(yù)報(bào)值通過加權(quán)組合形成長期概率分布下的波浪載荷。長期預(yù)報(bào)法的關(guān)鍵在于波浪譜和概率水平的選擇[7–8]，在工程應(yīng)用中考慮到計(jì)算效率和船舶服役期間所遭受的環(huán)境情況（特別是波浪載荷方面），波浪譜的選擇一般會(huì)采用頻域譜，通過頻域譜分析法進(jìn)行波浪載荷的響應(yīng)預(yù)報(bào)；而概率水平選擇一般采用10-8。波浪散布圖是通過海域環(huán)境長期觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到，其中較為常用的2 種是基于全球海浪統(tǒng)計(jì)資料的全球海域波浪散布圖(DNV-WW)和最危險(xiǎn)海域北大西洋波浪散布圖(DNV-NA)。由于南海海域環(huán)境復(fù)雜，尚未有較明確的波浪統(tǒng)計(jì)資料，可以采用DNV-WW 代替。

4 算例分析

4.1 目標(biāo)平臺(tái)基本參數(shù)

目標(biāo)平臺(tái)為南海某半潛式鉆井平臺(tái)近似模型，基本特征為雙浮筒，四立柱，立柱中間有4 根近似圓形截面的橫撐，平臺(tái)甲板以上裝配有鉆機(jī)，鉆臺(tái)，井架，吊機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)備以及甲板室生活樓等基礎(chǔ)設(shè)施，并且設(shè)計(jì)時(shí)該平臺(tái)在甲板以上還具有較大的可變載荷量。該平臺(tái)的基本參數(shù)如表2 所示。應(yīng)用SESAM 軟件，進(jìn)行目標(biāo)模型波浪載荷的預(yù)報(bào)分析和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析。目標(biāo)平臺(tái)的濕表面模型如圖1 所示。結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

表2 目標(biāo)平臺(tái)基本信息Tab.2 Basic information of target platform

圖1 目標(biāo)平臺(tái)濕表面模型Fig.1 Wet surface model of target platform

圖2 目標(biāo)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Target platform structure model

4.2 波浪載荷計(jì)算

4.2.1 特征載荷RAO

為適應(yīng)南海海域超深水油氣資源開發(fā)，該目標(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì)使用在4 000 m 水深，結(jié)合南海長期統(tǒng)計(jì)海況和平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)——平臺(tái)結(jié)構(gòu)呈1/4 對(duì)稱，確定波浪載荷研究分析時(shí)只考慮0°～90°浪向，浪向分布間距為15°。在周期3～25 s 內(nèi)進(jìn)行波浪搜索，并在危險(xiǎn)周期內(nèi)（6～12 s）進(jìn)行周期步長加密計(jì)算，加密周期步長設(shè)置為0.2 s，其他設(shè)置為2 s。因此載荷傳遞函數(shù)計(jì)算基于7 個(gè)浪向，40 個(gè)周期。表1 選取的4 個(gè)關(guān)鍵特征載荷的響應(yīng)幅值算子（RAO）如圖3 所示。

圖3 關(guān)鍵特征載荷RAOFig.3 Key characteristic load RAO

1）作業(yè)海域?yàn)橹袊虾?，作業(yè)水深4 000 m;

2）浪向0°～90°（步長15°）;

3）周期3～25 s；其中，6～12 s（步長0.2 s），14～25 s（步長2 s）

4.2.2 環(huán)境波浪條件

對(duì)于不同的設(shè)計(jì)波法，波浪輸入條件有所不同。

1）確定性設(shè)計(jì)波法：

規(guī)則波周期選取3～25 s，最小步長為0.2 s，最大步長為2 s。結(jié)合2.1 節(jié)規(guī)則波波陡計(jì)算方法，由此來確定一系列的輸入規(guī)則波，輸入規(guī)則波如圖4 所示。

圖4 確定性設(shè)計(jì)波規(guī)則波Fig.4 Deterministic design wave and regular wave

2）隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法：

不規(guī)則波的周期選取3～25 s，步長為0.2～2 s，結(jié)合2.2 節(jié)不規(guī)則波波陡計(jì)算公式，確定一系列短期海況。對(duì)于波譜參數(shù)的選擇，如表3所示。

表3 環(huán)境組合方式及波浪參數(shù)設(shè)置Tab.3 Environment combination mode and wave parameter setting

3）長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法：

分別選取基于全球海浪統(tǒng)計(jì)資料的全球海域波浪散布圖（DNV-WW）和最惡劣的北大西洋波浪散布圖（DNV-NA）。

對(duì)于不同海域波浪環(huán)境參數(shù)的設(shè)置，沒有固定的選擇方案，所以根據(jù)以上波浪環(huán)境輸入條件，設(shè)計(jì)8 種特殊環(huán)境組合方式，分別采用3 種不同設(shè)計(jì)波法，2 種波浪散布圖，以及2 種不同的波譜形式，其中Jonswap的影響因子選取2.0 和2.4，詳細(xì)組合方式如表3 所示。

4.3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)上文分析設(shè)置不同的波浪環(huán)境組合工況，分別進(jìn)行求解設(shè)計(jì)波參數(shù)，不同組合方式下計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6 所示。

圖6 不同環(huán)境組合工況下的設(shè)計(jì)波波高Fig.6 Design wave height under different environmental combination conditions

由圖6 對(duì)比可知，3 種設(shè)計(jì)波法計(jì)算值之間差距較大，其中計(jì)算結(jié)果最為保守的是確定性設(shè)計(jì)波法，并且其計(jì)算值與另外2 種方法的計(jì)算值差距較大，只有在SEC1014 載荷時(shí)，確定性設(shè)計(jì)波法的設(shè)計(jì)波波高計(jì)算值與隨機(jī)性設(shè)計(jì)波波高計(jì)算值較為接近。從圖中不難看出，同一種設(shè)計(jì)波方法，不同環(huán)境參數(shù)之間差距不是很大，且在隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法中，Jonswap 譜中增強(qiáng)因子選取2.0 和2.4 差距較大，并且增強(qiáng)因子選取2.4的計(jì)算結(jié)果與選擇P-M 波譜的計(jì)算結(jié)果更接近；在長期預(yù)報(bào)法中，相對(duì)于波譜形式對(duì)設(shè)計(jì)波波高的影響，波浪散布圖的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響更大，從圖中曲線可以看出波譜形式選擇Jonswap 譜（包括不同的增強(qiáng)因子）和P-M 譜計(jì)算結(jié)果基本一致，但是波浪散布圖在選取DNV-NA 時(shí)計(jì)算結(jié)果明顯大于采用WW 波浪散布圖的。

在計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)中變化較為特殊的是長期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波法的計(jì)算值，一般而言，根據(jù)規(guī)范選取的特征工況進(jìn)行計(jì)算，長期預(yù)報(bào)法的計(jì)算值應(yīng)該是3 種設(shè)計(jì)波法中的最精確值，換言之，計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是最小。出現(xiàn)這種情況的原因是在選取特征載荷工況時(shí)，不是根據(jù)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)狀況選取，而是只針對(duì)本文所關(guān)注的立柱與下浮筒連接處的十字節(jié)點(diǎn)，所以通過大概率方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的隨機(jī)性設(shè)計(jì)波方法不能很好發(fā)揮作用。

結(jié)合上述分析，在3 種設(shè)計(jì)波方法中，長期預(yù)報(bào)法更適合本文想要研究的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并且在計(jì)算設(shè)計(jì)波參數(shù)時(shí)波浪環(huán)境條件保守情況下選取最危險(xiǎn)的波浪散布圖DNV-NA，波譜形式可根據(jù)規(guī)范推薦選用Jonswap 譜，形狀參數(shù)設(shè)置為2.4。

5 結(jié)語

本文采用3 種設(shè)計(jì)波方法，設(shè)計(jì)了8 組特殊波浪環(huán)境，并以實(shí)際半潛式平臺(tái)分別計(jì)算了設(shè)計(jì)波參數(shù)。將計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，其結(jié)論對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度疲勞等分析具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)本文結(jié)論，在半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期推薦采用隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，在局部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)或校核時(shí)推薦采用更符合實(shí)際環(huán)境條件的長期預(yù)報(bào)法。從經(jīng)濟(jì)性上考慮，長期預(yù)報(bào)法中波浪散布圖的選取應(yīng)盡可能地與實(shí)際波浪環(huán)境對(duì)應(yīng)。