摘 要：我國(guó)海洋石油開發(fā)逐步向深水海域發(fā)展，海洋平臺(tái)作為主要設(shè)施，其在海洋環(huán)境下的安全性極其關(guān)鍵，評(píng)估海洋平臺(tái)在環(huán)境作用下的響應(yīng)是核心技術(shù)之一。目前，國(guó)際上主要的評(píng)估軟件多采用頻域分析，無法反應(yīng)平臺(tái)的實(shí)際物理過程。本文介紹了一種新型平臺(tái)安全性分析軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)的隨機(jī)波浪過程的模擬分析，軟件模擬結(jié)果與國(guó)際上相關(guān)軟件模擬結(jié)果及平臺(tái)現(xiàn)實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合較好。同時(shí)，軟件得到的動(dòng)水壓力時(shí)域結(jié)果也為結(jié)構(gòu)分析提供了時(shí)域荷載輸入，為浮式平臺(tái)在災(zāi)害海洋環(huán)境作用下的安全分析提供了一種更準(zhǔn)確的方法。

關(guān)鍵詞：浮式平臺(tái)；時(shí)域水動(dòng)力分析；耦合運(yùn)動(dòng)分析；安全分析

中圖分類號(hào)：TE 58" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

深水海域是災(zāi)害性海洋環(huán)境的多發(fā)海域，頻發(fā)的災(zāi)害性海洋環(huán)境勢(shì)必對(duì)深水海洋平臺(tái)等油氣設(shè)施造成巨大影響。分析其對(duì)海洋結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的影響與危害，對(duì)高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的深水海洋油氣開發(fā)工作具有重要意義。

目前，基于三維勢(shì)流理論的商業(yè)軟件比較多，主要有麻省理工學(xué)院開發(fā)的WAMIT軟件，英國(guó)Century Dynamics公司開發(fā)的AQWA軟件，Garrison教授開發(fā)的MORA程序，MARIN開發(fā)的Diffrac程序，法國(guó)船級(jí)社陳曉波等開發(fā)的Hydro Star軟件[1]。這些方法都是基于頻域分析線性波浪與結(jié)構(gòu)的相互作用。這些勢(shì)流計(jì)算是通過取速度勢(shì)的一階近似進(jìn)行的，在其后的研究中發(fā)現(xiàn)波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物，特別是系泊結(jié)構(gòu)物的二階作用不可忽視[2]。針對(duì)某一特定的波浪過程，該方法并不能準(zhǔn)確分析并反應(yīng)該過程中平臺(tái)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程。

為了更準(zhǔn)確地分析災(zāi)害海洋環(huán)境與平臺(tái)的相互作用，開發(fā)了一套名為“863聯(lián)合”的軟件，該軟件使用全時(shí)域水動(dòng)力分析方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)的隨機(jī)波浪過程的模擬分析。為了驗(yàn)證該軟件的準(zhǔn)確性，使用該軟件與國(guó)際上同類型軟件進(jìn)了對(duì)比分析，并且通過某座平臺(tái)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行對(duì)比，具有較高的一致性。

1 波浪與海洋平臺(tái)作用時(shí)域分析

首先，全時(shí)域水動(dòng)力分析方法對(duì)波浪時(shí)程進(jìn)行傅立葉分解，并記錄對(duì)應(yīng)的波浪頻率成分及其對(duì)應(yīng)的幅值和相位。其次，針對(duì)每一頻率成分進(jìn)行結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力分析，得到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)及平臺(tái)荷載信息。再次，按照對(duì)應(yīng)的幅值和相位信息對(duì)荷載信息進(jìn)行重新組合，便得到了基于時(shí)域方法的平臺(tái)水動(dòng)力系數(shù)及荷載。在求解運(yùn)動(dòng)方程的過程中，如果采用時(shí)域方法考慮系泊系統(tǒng)的耦合作用，就可以實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力求解及平臺(tái)與系泊系統(tǒng)耦合的全時(shí)域求解過程。由于該方法采用了2套時(shí)域求解過程，因此計(jì)算量增加，使計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)。但其從理論上實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)波浪過程的模擬分析。為提高分析效率，時(shí)域波浪與平臺(tái)作用分析基于勢(shì)流理論和攝動(dòng)展開理論，采用高階邊界元法自主開發(fā)了波浪/波流與海洋平臺(tái)相互作用的時(shí)域模型。模型采用了攝動(dòng)展開理論，計(jì)算域取在靜水面和平均物面上，模擬過程中只需要建立1次系數(shù)矩陣，分解1次，從而加快了求解速度；自由水面速度勢(shì)和波面的更新和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程的求解均采用四階龍格庫(kù)塔方法，保證數(shù)值求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

在模型的驗(yàn)證和數(shù)值計(jì)算中，首先通過求解波（流）與簡(jiǎn)單形狀結(jié)構(gòu)物的作用，并與解析解對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性；研究中考慮了平臺(tái)的自由漂浮情況、不同外部剛度約束情況、不同阻尼情況，與課題開發(fā)的頻域方法和WAMIT等頻域程序進(jìn)行對(duì)比，均具有較高的一致性。這里以周期為15s的波浪與一自由漂浮Spar平臺(tái)作用為例，給出了計(jì)算結(jié)果，如圖1所示。

圖2給出了本模型計(jì)算的6個(gè)方向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值結(jié)果與2個(gè)頻域模型和WAMIT及時(shí)域模型的比較，各模型結(jié)果吻合度較高。

課題開發(fā)的時(shí)域模型可以模擬規(guī)則波和不規(guī)則波與海洋平臺(tái)的作用，分析平臺(tái)各點(diǎn)壓力、結(jié)構(gòu)總力、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)的時(shí)間歷程。圖3～圖5給出了一個(gè)隨機(jī)波的時(shí)間歷程，并將其作用在無約束Spar平臺(tái)上，由時(shí)域模型可以模擬得到作用在平臺(tái)上的總波浪荷載時(shí)間歷程和平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程。由圖3～圖5可知，本方法可以對(duì)隨機(jī)波浪引起的隨機(jī)荷載以及平臺(tái)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)域分析，結(jié)合平臺(tái)-系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)分析程序，可以實(shí)現(xiàn)波浪與浮式平臺(tái)作用的全時(shí)域分析。

2 時(shí)域平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

采用上述分析方法，課題對(duì)有實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)的Horn Mountain平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，并與實(shí)際測(cè)量的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行了比較，具有較高的一致性。2004年，颶風(fēng)Ivan過境墨西哥灣，對(duì)很多海上石油設(shè)施造成了影響。Horn Mountain是位于墨西哥灣的一座浮動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料顯示，臺(tái)風(fēng)過程中，最大波高達(dá)到了2500a一遇的水平，風(fēng)速達(dá)到了600a一遇的標(biāo)準(zhǔn)。后報(bào)結(jié)果顯示，臺(tái)風(fēng)過程中，特征波高達(dá)到了16m，風(fēng)速達(dá)到了45.3m/s（88knot），明顯超過了波高設(shè)計(jì)值12.7m和風(fēng)速設(shè)計(jì)值40.2m/s（78.2knot）。臺(tái)風(fēng)路徑距離平臺(tái)為64.4km。Horn Mountain平臺(tái)是一座Spar平臺(tái)，于2002年建成，作業(yè)者是英國(guó)石油公司。

根據(jù)Horn Mountain平臺(tái)結(jié)構(gòu)主尺度參數(shù)及平臺(tái)當(dāng)時(shí)設(shè)備布置及質(zhì)量分布信息，課題在時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)分析軟件中建立分析模型如圖6所示。

為了更真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，這里平臺(tái)的質(zhì)量信息、系泊張力以及立管張力都根據(jù)當(dāng)時(shí)平臺(tái)記錄進(jìn)行建模。

在發(fā)生颶風(fēng)的過程中，布置在Horn Mountain平臺(tái)上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功記錄了當(dāng)時(shí)的環(huán)境參數(shù)、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。但是，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)到達(dá)平臺(tái)最近位置前6h停止了工作，因此，臺(tái)風(fēng)過境期間的環(huán)境參數(shù)為后報(bào)結(jié)果。平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的環(huán)境參數(shù)以及臺(tái)風(fēng)路過期間后報(bào)環(huán)境參數(shù)見表1。00：00—10：00的環(huán)境參數(shù)為監(jiān)測(cè)結(jié)果，而16：15的環(huán)境參數(shù)為后報(bào)結(jié)果。

利用上述環(huán)境及結(jié)構(gòu)參數(shù)作為課題開發(fā)的時(shí)域耦合浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析軟件的輸入條件，計(jì)算得到的Horn Mountain Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，如圖7所示。

由圖7所知，在環(huán)境參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)較完備的條件下，課題開發(fā)的時(shí)域分析軟件可以較好地對(duì)災(zāi)害海洋環(huán)境下Spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行模擬，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高。

3 基于時(shí)域水動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)分析

實(shí)際海洋波浪是不規(guī)則的，即它的波高、波長(zhǎng)和頻率都是隨機(jī)變化的?；谠O(shè)計(jì)波方法的環(huán)境荷載不能真實(shí)體現(xiàn)波浪的隨機(jī)特性。全時(shí)域水動(dòng)力分析的過程中可以得到結(jié)構(gòu)表面動(dòng)水壓力結(jié)果。利用時(shí)域水動(dòng)力荷載分析的結(jié)果可以得到作用在平臺(tái)上的水動(dòng)力壓力、加速度等荷載時(shí)域信息，將這些荷載輸入結(jié)構(gòu)分析軟件中，便可以得到災(zāi)害海洋環(huán)境發(fā)生過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。這種應(yīng)力分析結(jié)果是平臺(tái)真實(shí)受力的反應(yīng)。也是平臺(tái)安全評(píng)估、平臺(tái)災(zāi)害環(huán)境作用過程中安全分析的重要結(jié)果。

基于全時(shí)域水動(dòng)力分析的時(shí)域荷載分析方法，即根據(jù)課題發(fā)展的全時(shí)域波浪荷載分析技術(shù)直接求解隨機(jī)波浪作用下結(jié)構(gòu)表面的波浪荷載變化情況?；谶@一方法，可以再現(xiàn)災(zāi)害海洋環(huán)境過程中結(jié)構(gòu)上的隨機(jī)波浪荷載，達(dá)到在結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估過程中更準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)受力的目的。為解決這一問題，課題開發(fā)了全時(shí)域水動(dòng)力荷載到結(jié)構(gòu)分析模型上的傳遞方法，將水動(dòng)力軟件生成的結(jié)構(gòu)表面壓力、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度等數(shù)據(jù)傳遞到了通用結(jié)構(gòu)分析軟件中。荷載傳遞即由水動(dòng)力分析所用的濕表面模型向結(jié)構(gòu)分析模型的荷載映射。本課題采用的是通用的單元就近映射方法，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)，映射結(jié)果如圖8、圖9所示。

半潛式鉆井平臺(tái)各個(gè)部位節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)域結(jié)構(gòu)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)波方法計(jì)算結(jié)果的比較如圖10所示。結(jié)果顯示，時(shí)域動(dòng)水壓力分析得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果小于設(shè)計(jì)波方法得到的應(yīng)力分析結(jié)果。時(shí)域分析結(jié)果的結(jié)論合理，可以更準(zhǔn)確地分析災(zāi)害海洋環(huán)境作用。

4 結(jié)語

為了更準(zhǔn)確地分析平臺(tái)在災(zāi)害性海洋環(huán)境下的響應(yīng)，課題開發(fā)了一套波浪與浮式平臺(tái)作用的時(shí)域分析軟件。結(jié)合平臺(tái)、系泊耦合非線性時(shí)域分析軟件，形成了一套波浪/平臺(tái)/系泊系統(tǒng)耦合全時(shí)域分析軟件。實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確模擬波浪 / 平臺(tái) / 系泊系統(tǒng)相互作用的功能。該全時(shí)域分析軟件模擬的結(jié)果與同類型平臺(tái)模擬結(jié)果的一致性較高，與平臺(tái)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也比較吻合。同時(shí)，全時(shí)域水動(dòng)力分析得到的動(dòng)水壓力時(shí)域結(jié)果也為結(jié)構(gòu)分析提供了時(shí)域荷載輸入，為浮式平臺(tái)在災(zāi)害海洋環(huán)境作用下的安全分析提供了一種更準(zhǔn)確的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]王俊榮，謝彬.半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究綜述[J].中國(guó)造船，2009，50（A11）：255-261.

[2]孫金偉.深水Spar平臺(tái)水動(dòng)力性能和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2010.