自升式平臺波浪荷載計算方法的評述

李 曄(中國船級社海工技術(shù)中心, 天津 300457)

自升式平臺波浪荷載計算方法的評述

李 曄
(中國船級社海工技術(shù)中心, 天津 300457)

波浪荷載對自升式平臺的整體性能和作業(yè)能力有著明顯的影響，對自升式平臺所受波浪荷載進行合理分析可更加準確地評估平臺的整體性能，進而提高平臺的作業(yè)能力和作業(yè)效率。對此,通過比較ISO 19901-1,ISO 19905-1和SNAME中關(guān)于環(huán)境荷載系數(shù)的確定方法，給出合理、優(yōu)化的選擇環(huán)境荷載系數(shù)的方法，為平臺性能評估中環(huán)境荷載的計算提供一定的參考。

自升式平臺;環(huán)境荷載;波浪運動系數(shù);整體性能

海洋自升式平臺結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、造價昂貴；同時，其所處的海洋環(huán)境十分復雜和惡劣，承受著風、海浪、海流、海冰和潮汐等多種隨時間和空間變化的環(huán)境載荷的影響。環(huán)境荷載的大小對自升式平臺的作業(yè)水深、樁靴能力、鎖緊能力和壓載能力等均有明顯影響，對平臺環(huán)境荷載的大小進行準確計算可有效評估平臺的作業(yè)能力和整體性能，避免平臺結(jié)構(gòu)的冗余和浪費，同時保證平臺在作業(yè)條件和抗風暴條件下的安全性。

在SNAME T&R 5-5A公告[1]被收入到ISO 19905-1[2]的過程中，海洋環(huán)境荷載的計算方法發(fā)生了一些變化。這里就波浪運動系數(shù)對波浪荷載的影響進行敘述，并對所計算的海洋環(huán)境荷載進行對比;同時,結(jié)合實際算例闡述該系數(shù)的變化對平臺波浪荷載計算結(jié)果的影響。

1 波浪運動系數(shù)

通常短峰波產(chǎn)生的波浪荷載會小于按等效的長峰規(guī)則波計算得到的波浪荷載，而實際海況中通常都是短峰波，因此在ISO 19905生效前對如何合理有效地評估真實的波浪荷載進行大量研究。最終,ISO 19905規(guī)定通過采用合適的相關(guān)系數(shù)(即波浪運動系數(shù))來提高波浪荷載的精確度。對于自升式平臺而言，這些系數(shù)主要與平臺的樁腿間距、波高、波長、波周期和水深有關(guān)，由此可得到比單樁近似理論更準確的平臺樁腿波浪荷載。

SNAME通過采用合適的高階波浪理論(如斯托克斯5階或合適的流函數(shù))和水動力系數(shù)(如拖曳力系數(shù)Cd1.0)來確定典型粗糙構(gòu)件上的準靜態(tài)波浪荷載?？紤]短峰波浪海域的波浪傳播效應，SNAME的推薦做法是在計算確定性規(guī)則波的波浪力時，采用波浪運動系數(shù)0.86獲得真實的波浪荷載。采用該系數(shù)不僅考慮波浪的傳遞，而且可通過修改水動力系數(shù)考慮確定性規(guī)則波的傳遞，同時保證其具有足夠的保守性。SNAME還建議通過降低波高來考慮波浪運動系數(shù)的作用,這主要是因為20世紀90年代初期SNAME剛剛被采用，很多計算軟件都不支持輸入波浪運動系數(shù)。采用SNAME推薦的方法得到的波浪荷載與波高不折減、構(gòu)件拖曳力系數(shù)為0.65～0.70得到的結(jié)果較接近。

在ISO 19901-1[3]中，用波浪運動系數(shù)φ反映波浪的傳遞，該系數(shù)與平臺所處緯度有關(guān)(見圖1)，主要用于計算單樁結(jié)構(gòu)上的波浪荷載。自升式平臺均為多腿結(jié)構(gòu)，且樁腿之間具有明顯的間隔，這種間隔對計算作用于平臺的波浪荷載是有利的。2000年，IADC自升式平臺委員會(IJUC)贊助了一個科研項目來研究準確計算熱帶風暴條件和溫帶條件下自升式平臺波浪荷載的方法，研究成果[4]與SNAME之前的結(jié)果存在一定偏差。隨后，該項工作發(fā)展成了由IADC和SHELL共同贊助的一個長期科研項目，用以研究更多類型的自升式平臺在更多環(huán)境條件下的環(huán)境荷載。目前的研究結(jié)果[5]表明:在熱帶風暴海域，環(huán)境荷載比之前理論上的計算值最多能減小35%；對于其他區(qū)域，最多能減小20%。

圖1 波浪運動系數(shù)與平臺所處緯度的關(guān)系

ISO 19905-1采用的是HOYLE提出的推薦做法，采用波浪運動系數(shù),考慮平臺的結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境條件等各種不同的影響因素，并用一個復雜公式計算該系數(shù)κ。

(1)

式(1)中：φ為與緯度相關(guān)的波浪運動系數(shù)；Sy為最小的樁腿間距；L為按規(guī)則波理論計算的水深、最大波高和相應周期所對應的波長；Hmax為最大波高；d為水深。

在某些特殊條件下，由式(1)得到的κ值會過于保守，因此ISO 19905-1要求κ值不能超過φ值。為滿足該要求，對式(1)中的參數(shù)作以下限制。

0.08≤Sy/L≤0.43

(2)

0.14≤d/L≤0.76

(3)

0.07≤Hmax/d≤0.58

(4)

研究表明:短峰波浪海域采用ISO 19905-1中的波浪運動系數(shù)得到的環(huán)境荷載比采用SNAME的波高折減系數(shù)得到的環(huán)境荷載更逼近設(shè)計海況。

2 波浪荷載計算方法

目前，對于類似自升式平臺的海洋結(jié)構(gòu)，由于波長與其直徑的比值(L/D)較大(>5)，因此其所受的波浪荷載均采用莫里森(Morison)方程進行求解。

(5)

按等效長峰波計算的波浪力小于短峰波產(chǎn)生的實際波浪荷載，因此需在所求波浪荷載的基礎(chǔ)上乘以波浪運動系數(shù)以提高平臺結(jié)構(gòu)所受波浪荷載的精確度。ISO 19901-1，ISO 19905-1和SNAME對通過式(5)計算的波浪荷載所做的修正為

ISO 19901-1:F1=F×φ

ISO 19905-1:F2=F×κ

SNAME:F3=F(h′),即采用折減后的波高計算波浪力。

3 平臺波浪荷載實例計算

實例中的平臺為三腿自升式鉆井平臺，擬在東海進行作業(yè)。該區(qū)域的地理緯度為32°N，平臺樁腿間距為35.05 m，作業(yè)區(qū)水深為61 m，波高為17.37 m。周期為13.56 s，波長為268.68 m。

由圖1可得φ=0.867，平臺的參數(shù)(見表1)滿足式(2)～式(4)中的限制。由ISO 19905-1中系數(shù)κ的計算式可得波浪運動系數(shù)為0.783。

表1 鉆井平臺參數(shù)

對于確定性規(guī)則波的波浪力的計算，SNAME采用的是折減后的波高Hdet。Hdet與有效波高Hs的關(guān)系為Hdet=1.60Hs，有效波高與最大波高的關(guān)系為Hmax=1.75Hs。因此，SNAME中計算波浪力采用的波高為Hdet=Hmax(1.60/1.75)=15.88 m。

按SNAME和ISO 19901-1計算得到的波浪荷載對比見表2，按ISO 19901-1和ISO 19905-1計算得到的波浪荷載對比見表3。

對比表2和3可發(fā)現(xiàn):采用SNAME方法計算得到的波浪荷載與采用ISO 19901-1的波浪傳遞系數(shù)得到的波浪荷載相差6.5%左右，計算結(jié)果比較一致;ISO 19905-1的波浪傳遞系數(shù)κ考慮了平臺自身的結(jié)構(gòu)特征，采用該系數(shù)得到的波浪荷載比采用ISO 19901-1的系數(shù)得到的波浪荷載小18%，該結(jié)果也與之前的研究結(jié)果一致。這說明平臺的結(jié)構(gòu)形式(尤其是科學合理的平臺樁腿間距)可極大地改善平臺所受的波浪荷載?？紤]到移動平臺作業(yè)區(qū)域的不確定性，其作業(yè)的地理位置、作業(yè)水深及所受波浪的波高與波長均具有明顯的不確定性，從而給平臺確定合理高效的樁腿間距帶來較大的困難。在實際設(shè)計過程中，根據(jù)平臺預計的高重現(xiàn)率作業(yè)區(qū)域的環(huán)境條件確定合適的樁腿間距，可有效降低平臺所受的波浪荷載、提高平臺的作業(yè)壽命。

表2 按SNAME和ISO 19901-1計算得到的波浪荷載對比

表3 按ISO 19901-1和ISO 19905-1計算得到的波浪荷載對比

只要滿足式(1)～式(3)的要求，那么計算所得的ISO 19905-1推薦的系數(shù)κ都小于ISO 19901-1推薦的系數(shù)。因此,按照ISO 19905-1計算得到的波浪荷載小于按照ISO 19901-1計算得到的波浪荷載;同時，計算得到的波浪荷載與系數(shù)之間是二次方關(guān)系。表4～表8給出了系數(shù)κ隨不同變量的變化情況。

表4 系數(shù)κ隨水深的變化情況

表8 系數(shù)κ隨φ的變化情況

通過比較發(fā)現(xiàn):在其他條件不變的情況下，水深和系數(shù)φ的變化對κ的影響最為顯著，樁腿間距的影響較明顯，而波高和波周期的影響較微弱。即平臺所處的地理位置、水深及平臺自身的樁腿間距會對環(huán)境荷載的大小產(chǎn)生重要的影響，因此在設(shè)計過程中,需對這些因素進行重點關(guān)注和綜合比較，以提高平臺的適應能力。

4 結(jié)束語

通過比較運用SNAME，ISO 19901-1和ISO 19905-1方法計算得到的波浪荷載及不同變量對ISO 19905-1波浪傳遞系數(shù)的影響，得到以下結(jié)論。

1) ISO 19905-1推薦的波浪傳遞系數(shù)κ在ISO 19901-1推薦系數(shù)的基礎(chǔ)上考慮了波浪參數(shù)、水深和平臺腿間距的影響，其中地理位置和水深對系數(shù)κ的影響最為顯著。

2) 運用ISO 19905-1推薦的方法得到的環(huán)境荷載要小于運用SNAME和ISO 19901推薦的方法得到的結(jié)果，且能更好地與目前的研究結(jié)果相吻合。采用該方法指導設(shè)計,可讓平臺設(shè)計更加經(jīng)濟。

3) 對于移動平臺，要綜合考慮平臺作業(yè)區(qū)域多變的特點，重點依據(jù)平臺預計的高重現(xiàn)率作業(yè)區(qū)域的地理位置和環(huán)境條件確定合適的平臺結(jié)構(gòu)形式。

[1] SNAME.SNAME Technical & Research Bulletin 5-5A[S].2008.

[2] International Organization for Standardization. ISO 19905-1. Petroleum and Natural Gas Industries-Site-Specific Assessment of Mobile Offshore Units-Par 1: Jack-ups[S]. 2012.

[3] International Organization for Standardization. ISO 19901-1. Petroleum and Natural Gas Industries-Site-Specific Assessment of Offshore Structures-Par 1: Metocean Design and Operating Conditions[S]. 2012.

[4] SMITH SF, HOYLE MJR, AHILAN RV,etal. The Effects of New Developments in Wave Modeling on Jack-up Loads[C]. Proceedings 20th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2001.

[5] SMITH SF, HOYLE MJR, AHILAN RV,etal. 3D Nonlinear Wave Spreading on Jackup Loading and Response and Its Impact on Current Assessment Practice[J]. Offshore Technology Conference, 2006(5):1-4.

CommentsAboutAnalysisMethodsofWaveLoadonJack-UpUnit

LIYe
(CCS Offshore Engineering Center, Tianjin 300457, China)

Wave load has significant impact on the overall performance and the work ability of a jack-up unit. Rationally selecting the analysis method of the wave load can give more accurate assessment of the overall performance of thejack-up unit and help to improve the work ability and efficiency. Because of this, through comparing the methods of determining the environmental load coefficients suggested by ISO 19901-1, ISO 19905-1 and SNMAE, proposes the suitable method for determining environmental load parameters.

jack-up rig； environmental load； wave load coefficient； overall performance

2015-05-17

李 曄(1975—)，男，遼寧開原人，高級工程師，碩士，從事海上設(shè)施圖紙審查、規(guī)范科研編制和海工技術(shù)研發(fā)工作研究。E-mail：liye@ccs.org.cn

1000-4653(2015)03-0079-04

P751;U674.38+1

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