渤海浅水重冰区平台群区域流冰状态的模型试验研究

张　伟， 黄　焱

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2. 天津大学 建筑工程学院， 天津 300072)



渤海浅水重冰区平台群区域流冰状态的模型试验研究

张伟1， 黄焱2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2. 天津大学 建筑工程学院， 天津 300072)

摘要：在我国渤海浅水重冰区域存在多个区域矗立有网络式分布的平台群，而当大面积浮冰漂移至该区域时，就有可能引发一系列显著的冰灾害问题。针对矗立于我国渤海某区域的平台群，进行平台群区域流冰状态的模型试验。试验中针对不同水位以及漂移方向下的流冰运动状态进行了系统观测，并针对平台群内不同的平台结构前的海冰堆积现象进行描述与评估。该文进行的工作，可为类似海域条件下具有平台群结构区域的流冰漂移状态预判提供借鉴与参考。

关键词：平台群；流冰状态；模型试验

0引言

图1　渤海锦州9-3海域的沉箱式平台群

随着我国渤海海域石油开采业的迅猛发展，密集式、网络式分布的平台群结构布置型式已在我国渤海浅水重冰区海域内得到了越来越多的应用，图1为矗立于渤海锦州9-3海域的平台结构群。

在我国渤海浅水重冰区，平台群结构通常以1～2座重力式沉箱平台为主，并在其周围布置多座导管架式平台形成网络式分布。这样一来，流冰在沉箱式平台结构与导管架平台结构前的运动及堆积过程即成为关注的重点。

目前，对于呈网络式分布的平台群结构在抗冰性能上究竟该如何考虑，流冰在该平台群区域内与其在单独结构的运动的区别，尚未开展过系统的研究[1，2]。该文基于以上考虑，以锦州9-3西区平台群为研究对象，开展了室内模型试验，针对流冰在渤海浅水重冰区平台群区域运动状态进行了模型试验研究。

1模型试验

所有模型试验测试工作均在天津大学冰力学与冰工程实验室内完成。实验室低温空间面积216.0 m2，用于容纳冰池并进行模型试验，冰池长20.0 m、宽5.0 m、深1.8 m。实验室制冷系统主要设备包括压缩机组、冷风机，并通过均压送风顶棚对低温冰池内的空气降温，可精确控制制冷量、温降速度和室内风速，从而对试验中的制冷温度在-25℃～0℃范围内进行精准的调节控制。

1.1模型率与模型比尺

在研究中，需要模拟冰盖在结构前的破坏，在这一过程中惯性力、重力和弹性力的作用占主导地位。因此，研究中使用Froude 和Cauchy 相似准则对平台区域内的碎冰堆积问题的研究模型进行缩尺[3，4]。

各物理参数在原型与模型间的相似比尺关系见表1，模型实验的比尺λ=1:30。

表1　主要物理量的比尺

1.2试验模型

试验模型主要分为两部分，即上部支撑框架和下部平台群模型，如图2、图3所示。上部支撑框架的构造重点在于两个方面：

(1) 为下部平台群模型提供刚性支撑；

(2) 为下部各平台模型间的位置关系提供准确定位。

其中：SLPW和DRPW平台为两座沉箱式平台，CEPD平台为一座8桩腿的导管架平台。

图2　平台群模型上部刚性支撑框架

图3　平台群模型上部刚性支撑框架与平台模型侧面图

1.3实验条件的设置

由于试验比尺较小，易导致试验模拟失真[4-6]，同时考虑对平台群的试验应侧重考察较为极端的工况，因此平台群试验选取100 年一遇冰情况进行模拟测试。表2列出了试验中拟采用的冰条件参数。

表2　平台群模型试验中目标冰厚、冰强度参数与原型的对应情况

在冰排通过平台的过程中，流冰速度将对冰堆积进程产生重要影响。因此，试验中将根据模型比尺各选取5种冰速工况进行试验，涵盖该模拟平台区域可能出现的冰速范围，从而确定平台群前碎冰堆积情况。该区域海冰最大漂移速度为1.4 m/s，因此按照1:30 的几何比尺，最大试验冰速为255 mm/s，其余4种冰速则按照线性递增的方式确定为50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s 和200 mm/s。当海冰从不同方向(冰攻角)通过平台时，将产生不同的破坏模式、堆积效应和冰荷载。根据平台所在海域环境条件，主风向为SSW 和NNE，主流向为NE-SW，结合平台布置方向，在该模型试验中共设置5种冰攻角作用条件，其中，冰攻角0°和180°对应主流向，冰攻角22.5°和-157.5°对应主风向，增设的-90°冰攻角为风流联合作用下的危险浮冰漂移方向，如图4所示。考虑水位变化对碎冰堆积效果具有重要影响，因此模型试验中考虑了3 种水线面位置条件对试验结果的影响,具体工况组合见表3。

图4　平台群在试验中选取的5种冰攻角

表3　模型试验工况组合

2试验现象分析

该平台群是由两座沉箱式平台和一个八桩腿的导管架平台共同构成。两座沉箱平台在所处海域的潮差段高程范围内均呈圆锥形结构型式，在不同的水位条件下，沉箱平台水线面处的直径将具有较大变化，而碎冰沿沉箱表面的爬高也将随之变化。同时，该导管架平台在相应的高程范围内也安装了“正-倒锥”组合型式的抗冰锥体，海冰在通过该平台时的运动特征也是受水位显著影响的。因此，关于试验现象与测试结果的分析讨论将针对不同的水位试验进行。

2.1最高天文潮水位试验

在最高天文潮水位工况下，冰排通过导管架平台时，在沿正锥体表面上爬很短的距离后，即会遭遇直立桩腿。此时，冰排的破坏模式可归结为一种复合破坏模式，即弯曲-挤压破坏。在这种破坏模式的作用下，冰排断裂后的碎冰尺寸很小，因此不会在CEPD平台模型前发生堆积。

首先，在冰功角-90°工况下，CEPD平台正处于两座沉箱平台的迎冰向前端，这样，漂移冰排将首先与CEPD平台发生作用。如上所述，CEPD平台模型区间内的碎冰堆积并不会扩展至该区间以外。因此，在冰排通过该平台模型后，将以碎冰流的形态向后侧的沉箱平台(SLPW平台)行进，如图5所示。海冰在沉箱平台前的断裂上爬进程是以其完整形态的保持为基础的，因此，当碎冰流遭遇沉箱平台时，多以沿沉箱两侧滑动的形态行进，并不会形成显著的滞留与堆积，如图6所示。

图5　冰排穿越平台群模型场景　　　　　　　　　　　　　图6　碎冰流穿越沉箱平台模型场景

其次，在冰功角-157.5°工况下，CEPD平台正处于沉箱平台DRPW的迎冰向前端，这样，在这一作用条件下，DRPW沉箱平台就处于CEPD平台的掩护之中。此时，该平台遭遇的也多为冰排通过CEPD平台和SLPW平台后产生的碎冰流，而碎冰流高度的流动性也保证了该平台前碎冰堆积现象的消除，如图7所示。在冰功角-157.5°工况下，CEPD平台的布置并未形成对SLPW平台与冰排作用的干扰，如图8所示。SLPW平台沉箱较缓的锥面结构型式就为破坏后的碎冰“上爬-翻转-堆积”进程提供了形成条件。同时，由于此时的高水位影响，碎冰在SLPW平台沉箱上的上爬过程会很快发展至锥台顶部，进而形成对平台上部设施的威胁。

在冰功角调整至180°后，DRPW沉箱平台将完全处于SLPW平台的掩蔽之下，而冰排在CEPD平台与两座平台间也未被有效地阻碍，如图9所示。

在0°与22.5°冰功角下，新建CEPD平台均处于两座沉箱平台的掩蔽效应影响范围之内，因此碎冰堆积在CEPD平台模型前基本未形成。而这同时也意味着CEPD平台的存在，并未对两座沉箱平台与海冰作用进程构成影响。此时，两座沉箱平台前均出现了显著的碎冰堆积现象，而由于SLPW平台的沉箱锥面坡度更缓，因此该平台前的碎冰堆积机上爬现象要较DRPW平台严重，如图10所示。

图7　碎冰流穿越DRPW平台模型场景　　　　　　　　　　　图8　SLPW平台模型前的冰堆积

图9　冰排通过SLPW、DRPW平台模型场景　　　　　图10　碎冰在SLPW、DRPW平台模型前的堆积场景

2.2平均水位试验

根据已有研究可知，在平均水位工况下，冰排通过CEPD平台时将产生最大尺寸的碎冰块，这是因为此时CEPD平台上的抗冰锥体水线面直径最大，且冰排将发生典型的弯曲破坏。因此，这就可能造成尺寸较大的碎冰块在平台间发生拥堵。

如图11所示，试验中由CEPD平台破坏而成的大尺寸碎冰块在遭遇后侧的沉箱平台后，仍旧保持了由沉箱两侧滑移通过的行进状态。这是因为，这里所谓的大尺寸碎冰块仅是相对CEPD平台上的抗冰锥体而言，而相对沉箱平台的整体锥型结构就微不足道了，因此这些碎冰块在沉箱结构前仍旧表现为一种碎冰流的形态。

图11　平台群模型试验场景(平均水位、冰功角-157.5°)

2.3最低天文潮水位试验

在最低天文潮水位工况下，两座沉箱平台的水线面直径达到最大，因此这一工况下发生平台间碎冰堆积的可能性最大。

试验观测表明，尽管沉箱平台的水线面直径的增大导致了单体平台前碎冰堆积的扩展，但流冰在平台间仍保持了顺畅通过。同时，由于在最低天文潮水位工况下，CEPD平台上的抗冰锥体将保持倒锥体与冰排发生作用的状态，因此这一水位下CEPD平台所造成的冰排破坏区域最小，从而致使其对沉箱平台的掩蔽效应下降。

如图12所示，冰排通过CEPD平台模型后并未形成大面积的破坏，这样在其遭遇沉箱平台模型时仍具有很强的完整性，进而使沉箱平台前的碎冰堆积规模发展是不受CEPD平台模型影响的。但也应注意到，尽管此时碎冰在沉箱平台模型前的堆积规模出现了增长，但仍未延伸至CEPD平台模型与冰排发生作用的区域，因此不会造成碎冰在平台间的堆积。

另一个需要重点注意的现象是，在最低天文潮水位工况下，碎冰在SLPW平台模型前的堆积现象十分严重。如图13所示，碎冰已在沉箱的锥台顶部形成了显著的堆积。

图12　平台群模型试验场景　　　　　　　　　　　　　　　　图13　西区平台群模型试验场景

3测试结果分析

在每组模型试验完成后，对各平台前的碎冰堆积情况进行测量。测量结果表明：在所有组次的试验中，流冰在平台群的三座平台间均未出现滞留和堆积现象。在试验测试中，观测对象主要针对两座沉箱平台模型前的堆积规模，而测量指标也主要集中在沉箱平台前的最大碎冰堆积高度上。

由测试结果与试验现象的分析可知，对于两座沉箱平台来讲，由于锥型结构差异，致使SLPW平台沉箱上的碎冰堆积现象较DRPW平台严重。同时，在最低天文潮水位下，两座平台前的碎冰堆积较其它两个水位的也显著，碎冰堆积的规模也随着冰速增加呈现增长态势。以最低天文潮水位条件的系列试验为例，对上述规律作更为直观地展示，图14为最低天文潮下不同冰攻角时沉箱平台模型前碎冰堆积高度随冰速的变化分布。

图14　沉箱平台前碎冰堆积随冰速的变化情况

4结论

(1) 流冰经过任一平台后产生破碎，继续漂移在经过后续接触的平台时产生的堆积规模均有大幅的减小。

(2) 在三座平台中，流水在SLPW平台沉箱上的堆积现象最为严重。

(3) 碎冰堆积的规模随冰速呈现稳定增长的态势。

参考文献

[1]Cornett A M , Timco G W. Ice loads on an elastic model of Molikpaq[J].Applied Ocean Research,1998, 20(5): 105-118.

[2]王可光，吴辉碇，刘良坤.锦州9-3油田双沉箱海冰爬升和推积研究[J].中国海上油气(工程)，2000,12(3)：21-27

[3]史庆增. 渤海简易平台冰力的模型试验研究报告[R].天津:天津大学,2000.

[4]Huang Yan. Model test study of the nonsimultaneous failure of ice before wide conical structures[J].Cold Regions Science and Technology，2010，63(4):87-96.

[5]Izumiyama K, Irani M B， Timco G W. Influence of a Rubble Field in Front of a Conical Structure[C].Proceedings of the Fourth International Offshore and Polar Engineering Conference(ISOPE),Osaka,1994.

[6]史庆增,黄焱,宋安. 海上多腿结构前冰的非同时破坏系数及其概率分布[J].海洋工程,2002 ,21 (3):34-39.

收稿日期：2015-03-27

作者简介：张伟(1982-)，男，工程师。

文章编号：1001-4500(2016)03-0081-08

中图分类号:P75

文献标识码：A

Model Tests of the Ice Drifting Status between Grouped Platforms in Shallow Water and Heavy Ice Conditioned Area of Bohai Sea

ZHANG Wei1, HUANG Yan2

(1. Offshore Oil Engineering Co．，Ltd，Tianjin 300452，China；2. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072，China)

Abstract：There are a large number of platforms distributed as net in the heavy ice area of shallow water in Bohai sea. When a large area of ice flowes to the region, it may trigger a series of significant ice disasters. A series of model tests were performed to study the ice drifting status in the area with platform group. Systematic observations for the motion state in different drift direction and different water line were carried out. And ice accumulation phenomenon before the platform structures were described and evaluated. Works carried out in this paper can provide reference for predicting the state of floating ice under similar conditions.

Keywords：platform group; floating ice state; model test