自升式钻井平台风载荷研究

谭 美，冯 军，熊 飞

（中集船舶海洋工程设计研究院，上海 201206）

0 引 言

目前国内外海洋移动式平台的稳性衡准都采用“气象衡准”，即把平台在海上所受的载荷仅用风载荷表现出来，而将波浪对平台的影响以及其他因素考虑在稳性衡准数中，这样风载荷的确定对海洋移动式钻井平台的安全性和经济性都有重要影响[1]。目前船级社规范给出的风载荷计算公式，均明确了风载荷与风速的关系，但平台外形构件之间的遮蔽效应复杂，形状系数和升力作用等影响，造成按规范计算的结果比实际值偏大。国内外开展了大量的相关研究，以期获得更准确的风载。

风洞试验是公认的移动式钻井平台风载荷设计方法，但对自升式钻井平台，这方面的工作还比较少。CFD数值模拟理论上可以弥补风洞试验的经济成本，但出于目前计算机硬件设施方面限制因素，国内外几乎没有对全自升式平台的完整模拟[1～6]。本文基于中集集团（CIMC）自主研发设计的自升式钻井平台ZJ400，对该类平台风载荷进行了全面和深入的研究。

1 ZJ400平台特点及风况选择

1.1 平台特点

ZJ400为国际最新一代自升式钻井平台，平台船型为三角形船体，采用3个三角形桁架桩腿及齿轮齿条式升降系统，每个桩腿由下端的桩靴支撑，液压驱动式悬臂梁，其主要参数为：

船长70.4m，型宽74.2m，型深9.4m，桩腿全长166.98m，桩腿轴间距横向49.2m、纵向46.2m，井架高51.8m，最大工作水深122m，最大钻井深度9144m，设计吃水6.4m，最低设计温度–20℃，可携带船员120人。

1.2 工况条件

ZJ400的设计工况如表1所示。

表1 设计工况

本文选取平台最危险的一组自存工况进行研究：水深 122m，最大风速 51.44m，气隙12.19m，悬臂梁处于收回状态。

2 风载荷规范计算

2.1 规范计算方法

目前，主要船级社规范给出的风载荷计算公式如下[6]:

式中：Cf——风压系数，船级社之间有所区别，ABS船级社取0.611；

Ch——暴露在风中平台构件的高度系数，其值可根据构件形心至设计水面的垂直距离按规范确定；

Cs——构件的形状系数，其值根据规范值确定；

S——平台受风构件在迎风向的投影面积；

Vw——设计风速。为了便于计算，作如下假定：

1.5 评估方法 观察比较患者在临床药师干预前，干预后3个月，6个月贫血的临床疗效，并记录干预期间药物不良反应发生情况。并对患者的达标率进行计算比较。此外，研究组患者采用问卷调查方式评价患者对维持性血液透析贫血相关知识的掌握程度，患者临床药师监护前和临床药师监护6个月后以相同试题进行测试并给予评分，为避免人为因素对结果的干扰，临床药师亲自监督患者完成答题。每份试卷10题，每题1分，满分10分，其中＜6分为不合格，＞6分为合格。

1) 任一受风构件的风力与风向一致；

2) 风力作用在受风构件的风向投影面积的形心上；

3) 在受风时, 不考虑立柱或者其他结构之间的相互遮蔽作用；

4) 平台水上部分所受的风力与平台水下部分的水阻力相平衡；

5) 上述力产生的力偶矩只能使平台倾侧而不计平台绕Z轴旋转的影响；

6) 假定水下阻力中心即为平台水下部分在风速相反方向上的投影面积的形心。

在上述基础上, 就可以计算平台在不同风向角及相应各倾斜角风倾力矩横截曲线。

2.2 规范计算结果

ZJ400平台设计规范计算模型与实际平台略有差别，计算模型将实际平台的细小结构及对风载影响不大的构件略去，主船体简化为箱体，忽略甲板上设备与细结构的影响，如图1所示。本文设定整体坐标系原点位于平台艏部外底面，x轴向后为正，y轴向右为正，z轴向上为正；风向角为入射风向与x轴的夹角。由于可以认为平台关于x轴对称，计算范围为顺时针0～180o，每隔30o记录平台风载数据，计算结果见图2。除另有指明外，本文所述坐标系及其风向角、计算范围均与本节一致。

3 CFD数值模拟

用CFD方法计算ZJ400自升式钻井平台整体所受风载荷情况及其各局部结构的单独受风载荷情况，依据整体和局部模型风载荷模拟结果进行平台遮蔽效应分析。

图1 规范计算模型

图2 规范计算风载荷

3.1 控制方程与湍流模型

由于平台各局部构件为钝体，其扰流问题的控制方程为黏性不可压N-S方程，基于雷诺平均的控制方程可表示为：

式（2）、（3）中：空气密度ρ=1.225kg/m3，动力黏性系数μ=1.7894×105kg/(m⋅s)。

控制方程采用标准κε-湍流模型，近壁面条件采用标准壁面方程；应用有限体积法离散控制方程；离散方程与湍流度均采用二阶迎风格式；压力–速度耦合采用SIMPLE算法。标准κε-湍流模型可写为：

式(4)、(5)、(6)中：cμ,σk,σε,cε1,cε2为经验常数，Pk为浮力和重力引起的湍动能项，式中各项的具体计算公式见参考文献[8,9]。

3.2 边界条件设定

1) 入口边界采用速度入口，风速v大小沿高度z分布函数取为：

2) 出口边界采用压力出口；

3) 流域顶部、底部和两侧采用无滑移壁面条件；

4) 壁面采用无滑移壁面条件。

3.3 局部模型风载荷

基于平台的组成特征，分别对主船体、悬臂梁、井架、挡风墙桩腿和吊机等主要构件单独进行局部风载荷模拟，表2为局部构件模拟结果。

表2 局部风载荷

3.4 整体模型风载荷

与单独的局部模拟不同，整体计算时结构之间存在干扰作用，使得流场和压力场产生变化，导致结构受风面压力分布不同，图3为整体与局部模型水平风速矢量对比图，图4为整体计算模型与按局部单独计算求和所得结果的对比。

图3 整体与局部模型水平风速矢量对比图

图4 整体与局部模拟风载荷对比图

3.5 CFD遮蔽效应分析

根据上面的比较结果可以看出，平台整体受力遮蔽效应在20%～40%之间，在0～90o之间遮蔽效应较小，在90～180o之间遮蔽效应较大。整体模型结果与局部模型结果之间的较大差异，一方面来自于结构之间的遮蔽效应，另一方面是局部计算中加入了结构之间交界面的受力，而在整体模型计算中这些交界面不受风载荷，从而使得局部模型结果偏大。因此，设计时对平台风载荷遮蔽效应的考虑有着重大意义。

4 平台风洞试验

为更准确可靠的获得ZJ400平台设计的风载荷数据，Rowan Williams Davies & Irwin工程顾问公司（RWDI）受中集船舶海洋工程设计研究院委托，对该项目进行了风洞试验研究。

4.1 试验模型

平台试验模型与数值计算模型及实际平台在外形上保持几何相似，采用木质材料制作，模型缩尺比为1:200。模型试验在RWDI的2.4m×2.0m边界层风洞中进行，分别对平台作业工况，风暴自存工况和拖航工况进行试验，选取其自存工况试验结果与其他几种风载计算方法进行比较研究。为了研究风载荷遮蔽效应，除对平台整体试验外，还对井架、主船体与悬臂梁、桩腿等分别进行了单独的风洞试验，以确定这些部件上风载荷静力系数。

由风载荷的空气动力学分析表明，为了使模型试验反映实际结构的受力情况，应当保证模型与实际结构的雷诺数一致，但建筑的边界层风洞试验一般无法满足雷诺数的相似性要求[10]。对有尖锐棱角的结构构件的风载荷，雷诺数的影响在很大范围内是不明显的，只有对圆柱形或圆弧角构件，才可能存在较明显的雷诺数影响[11]。对自升式钻井平台，绝大多数构件具有尖锐棱角，雷诺数影响主要反映在桩腿的水平管和撑杆部分。在风暴自存状态下，暴露于风场的桩腿较短，因此雷诺数的影响可以忽略。

4.2 试验风速与风向

对自升式钻井平台的周围风场是通过在风洞工作段前方设置适当的紊流发生装置与地面粗糙元进行模拟，调整上述装置的尺寸及相对距离，使风洞中模拟的平均风速剖面与紊乱剖面反映典型的海面情况，其中平均风速剖面指数为0.09，与ABS MODU规范风载荷计算中假设的风剖面一致。

4.3 试验结果

坐标系和风向角的定义与上文一致，平台关于x轴对称，试验时每隔30o记录平台模型测点的风压时程数据。模型采样频率为100Hz，采样长度为60s，相对实际尺度为45min，对于平均风载荷的测试，已经足够。自存工况下试验模型和结果如图5、6所示。

图5 模型风洞试验

图6 风洞试验风载荷

5 土木工程方法

5.1 基本原理

基于土木工程对建筑物结构风载荷遮蔽效应的处理方法，即对下风向有相互遮蔽的结构引入一个角度为7°的楔角，同时修正风向与受风面的攻角对载荷的影响。该方法的基本原理和过程与规范计算类似，为便于计算处理，取7o的楔角来进行遮蔽效应修正，计算模型如图7所示，风载荷计算公式如下：式(8)中：θ为入射风向与构件受风面水平夹角，其他符号定义与公式(1)一致。

对海洋钻井平台有关风载荷的研究表明, 遮蔽效应及形状系数对计算结果的影响显著[12]。与船级社规范计算公式(1)比较可知，式(8)增加了2sinθ项，所以该方法是在规范计算方法的基础上对遮蔽效应和形状系数均有修正，体现在取7o的遮蔽修正楔角和攻角变化对形状系数的修正两个方面。

5.2 计算结果

按照此方法对ZJ400平台的风载荷进行了详细的计算，结果如图8所示。

图7 规范改进法计算模型

图8 规范改进法计算风载荷

6 风载荷结果分析

通过多种风载荷计算方法和风洞试验研究，可以较清楚地看出自升式钻井平台风载荷随风向角的变化特征，以及各种方法之间存在的差异。总结0～180o风向角ZJ400平台风载荷ABS船级社规范计算、CFD数值模拟、风洞试验和规范改进型方法计算结果如图9所示。

可见，平台最危险的工况发生在60o风向角，风洞试验、土木工程方法和 CFD数值模拟所获得的风载随风向变化趋势一致，土木工程方法计算值处于其他两种方法的折中地位。规范计算风载在整个风向范围内是一种偏于安全的考虑，在90～180o入射风向范围有明显的遮蔽效应。若以风洞试验作为风载比较标准，规范计算、CFD模拟和土木工程方法载荷值比试验值大45%、17%和10%，如表3所示。

图9 ZJ400风载荷结果对比图

表3 风载荷差异度 %

由上述分析可知，土木工程方法对自升式钻井平台风载荷计算具有较高的参考价值。

7 结 语

本文通过分析ZJ400平台风载荷计算方法及试验研究，明确了自升式钻井平台风载荷随风向角变化的规律及遮蔽效应程度。创新性地引入土木工程风载荷计算方法，通过风洞试验及多种方法论证证实：土木工程风载荷计算方法对于自升式钻井平台风载荷计算具有参考价值。

[1] 潘 斌，苑金民. 作用在海洋移动式平台上的风倾载荷[J]. 海洋工程，1997, 15 (2): 32-37.

[2] 朱 航，马 哲，等. HYSY-981半潜式钻井平台风载荷数值模拟与风洞试验[J]. 船海工程，2009, 38 (5): 149-152.

[3] 曹明强，王 磊，等. 深水半潜式平台风载荷试验分析[J]. 实验室研究与探索，2009, (8): 17-20.

[4] 马 哲，王晓喆. 深水半潜式平台风载荷数值模拟计算[J]. 科研探索与创新知识，2009, (8): 98-99.

[5] GOMA THINA YA GAM S. Dynamic effects of wind loads on offshore deck structure- A critical evaluation of provisions and practices[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000, 84 (3): 345-367.

[6] 陈 刚，吴晓源. 深水半潜式钻井平台码头抗台风系泊计算分析[J]. 船舶与海洋工程，2012, (2): 7-11.

[7] Rules for Building and Classification of Mobile Offshore Drilling Units[S]. American Bureau of Shipping, 2012.

[8] 王瑞金，张 凯，王 刚. Fluent技术基础与应用实例[M]. 北京:清华大学出版社，2007.

[9] 王 健，李海涛. 计算流体力学方法在船舶领域的实用性研究[J]. 船舶与海洋工程，2012, (4): 6-11.

[10] Wind tunnel model studies of building and structures[C]. American Society of Civil Engineers, New York, New York 10017-2398.

[11] SIMU E, SCANLAN R. Wind effects on structures. JOHN WILEY & SONS, New York, 1986:264.

[12] J. E. Aguirre, T. R. Boyce, Estimation of Wind Force on Offshore Drilling Platforms[J]. The Naval Architect, 1974.