深水半潛平臺的環(huán)境載荷分析.pdf

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1、第4l卷第1期2012年02月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGV01．41No．1Feb．2012DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2012．01．024深水半潛平臺的環(huán)境載荷分析肖麗娜。索雙武(中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，北京100081)摘要：通過對南海水域環(huán)境下的深水式半潛生產(chǎn)平臺的自存和作業(yè)兩種工況的風(fēng)載荷、波浪載荷和海流載荷計算，得到該平臺的環(huán)境載荷特點，從計算結(jié)果看，風(fēng)載荷、流載荷和波浪載荷對平臺的影響相近，因此，在確定系泊系統(tǒng)的設(shè)計時，這三個因素

2、的影響都不可忽視。關(guān)鍵詞：半潛平臺；環(huán)境；載荷；分析中圖分類號：U674．38；P751文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-7953(2012)01-0085-03深水半潛式鉆井平臺在作業(yè)海域中時刻受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用，尤其在惡劣海況條件下，有可能造成系泊系統(tǒng)的破壞。因此應(yīng)根據(jù)目標(biāo)海域環(huán)境條件，分析平臺環(huán)境載荷的作用，并評估平臺的運動響應(yīng)。本文所討論的平臺為工作在我國南海水域的半潛平臺，工作水深1500m，最大鉆井深度為10000m。1目標(biāo)平臺的環(huán)境載荷計算風(fēng)速是脈動的，一天之中風(fēng)速變化很大，需取某

3、一時距的平均風(fēng)速?。由于所取的時距長短不同，風(fēng)速的名稱也不同。常用的有陣風(fēng)風(fēng)速、持續(xù)風(fēng)速、穩(wěn)定風(fēng)速等，各國船級社的平臺規(guī)范中也都有各自的規(guī)定。中國船級社(CCS)規(guī)定，時距1min的設(shè)計風(fēng)速用于局部構(gòu)件的基本風(fēng)壓計算；時距10min的設(shè)計風(fēng)速用于總體結(jié)構(gòu)基本風(fēng)壓計算。穩(wěn)定風(fēng)速一般取時距1h的平均風(fēng)速‘21。作用在移動式平臺和系泊的海流作用的輸入條件通常用流速和流剖面表示。波浪載荷的計算常采用設(shè)計波法和波譜法。活動式平臺是海上的孤立式結(jié)構(gòu)物，它的支撐結(jié)構(gòu)(支柱、樁腿、撐桿等)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)均受到波浪力的作用。同時

4、波浪載荷對平臺結(jié)構(gòu)和整體穩(wěn)性影響很大，在計算時應(yīng)考慮波高、周期、入射方向、收稿日期：2011—03—21修回日期：2011—04—22第一作者簡介：肖麗娜(1980一)，女，碩士，工程師。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造E-man：Xiaolina@csic．conl波峰與平臺的相對位置等岡素。綜合對南海環(huán)境資料的統(tǒng)計和分析，最終確定目標(biāo)半潛平臺的風(fēng)、浪、流環(huán)境輸入條件，采用100年一遇南海有臺風(fēng)條件作為生存工況，1年一遇南海風(fēng)暴條件為作業(yè)工況，見表l。表1確定的環(huán)境輸入條件注：日l／3為有效波高；T

5、p為譜峰周期；吃為過零周期2目標(biāo)平臺的風(fēng)載荷計算風(fēng)載荷對活動式平臺的結(jié)構(gòu)強度、漂浮穩(wěn)性和著底穩(wěn)性影響較大，而且由于活動式平臺的定位方向是可變的，因此，平臺定位時也應(yīng)考慮風(fēng)向?；顒邮狡脚_在設(shè)計和使用中不僅要考慮風(fēng)速，還要考慮強風(fēng)向和常風(fēng)向。移動式平臺的海上定位方向是可變的，因此根據(jù)不同季節(jié)的工作海區(qū)強風(fēng)向和常風(fēng)向的變化合理地確定平臺的定位方向，以減少平臺所受的風(fēng)力。ccs(海上移動平臺人級與建造規(guī)范》規(guī)定，風(fēng)載荷主要作用于平臺的上層建筑及水面以上的主體部分，與受風(fēng)面積、受風(fēng)構(gòu)件形狀、受風(fēng)構(gòu)件高度、風(fēng)速等因素有

6、關(guān)。所以，考慮通過平均風(fēng)速與陣風(fēng)譜來描述其對平臺系泊狀態(tài)下的平均位移及最大位移的影響。85第1期船海工程第41卷風(fēng)載荷主要作用于上部模塊及平臺位于水線面以上的部分。水平風(fēng)載荷的計算方法如下。P=乒：schC。(1)式中：p——風(fēng)壓力，kN；口I——設(shè)計風(fēng)速，m／s；s-—平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積，m“c。c?！茱L(fēng)構(gòu)件的高度及形狀系數(shù)；f=0．613。根據(jù)公式(1)目標(biāo)平臺自存工況和作業(yè)工況，各方向的風(fēng)載荷比較見圖1。i5000矗4000赫3000璃2000l000風(fēng)向／(。)圈1不同

7、工業(yè)目標(biāo)平臺的風(fēng)載荷比較3目標(biāo)平臺的流載荷計算海流有風(fēng)海流、波浪流、潮流等，海流的流速隨時間的變化是緩慢的，在平臺設(shè)計中為簡化計算，常將它們看成是穩(wěn)定的流動，并認(rèn)為它們對結(jié)構(gòu)物的作用僅為拖曳力，目標(biāo)半潛平臺受拖曳力結(jié)構(gòu)見圖2。圖2目標(biāo)半潛平臺受拖曳力的結(jié)構(gòu)當(dāng)只考慮海流作用時，作用于平臺水下部分的海流載荷F為1．，=÷Cop?？?A(2)●式中：C?！妨ο禂?shù)；p?！Ｋ芏龋琸g／m。；tr一設(shè)計海流流速，m／s；A——構(gòu)件與流速垂直平面上的投影面積，mz。目標(biāo)半潛平臺中，平臺主體及系泊系統(tǒng)都將受到海流

8、的作用，其中平臺主體尺寸較大，受到的流載荷也較大，采用繞射理論計算波浪載荷，同時旁通和下浮體結(jié)構(gòu)也受到粘性力的作用，因此其86海流載荷將由式(2)進(jìn)行計算，根據(jù)式(2)及流速可以得到目標(biāo)平臺流力系數(shù)。根據(jù)式(2)計算0。一360。(間隔為45。)海流方向的流載荷，結(jié)果見圖3。海流方向曠)圖3目標(biāo)平臺方向的淹載荷4目標(biāo)平臺的波浪載荷計算目標(biāo)平臺在規(guī)則波浪場中承受波浪載荷作用時，波浪載荷的作用使其在波浪場中作振蕩運動