半潜式生产平台波浪载荷敏感性分析

杨 玥， 蒋 安

(中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海200011)

半潜式生产平台波浪载荷敏感性分析

杨 玥， 蒋 安

(中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海200011)

基于三维势流理论对半潜式生产平台波浪载荷响应进行数值分析，并通过优化分析，以4个平台主尺度为变量进行波浪载荷预报，研究平台主尺度变化对平台波浪载荷的影响。利用谱分析预报方法，研究波浪浪向及周期对平台波浪载荷的敏感性，结合波浪载荷传递函数的特征，讨论以较危险的波浪载荷及组合波浪载荷确定设计波的方法。得到目标半潜式平台主尺度变化对波浪载荷的变化特点，为主尺度选型提供参考；总结平台波浪载荷对波浪方向及周期敏感性影响的特点及主控设计波选择方法，为半潜式生产平台后续的结构设计提供参考。

半潜式生产平台；主尺度；波浪载荷；敏感性分析；设计波分析

0 引言

随着海洋油气的开发，半潜式平台以其良好的综合性能得到了广泛应用。深水半潜式生产平台在位作业时间长，受风、浪、流等环境载荷联合作用，情况较复杂。对于大型海洋平台，目前工程上认可的较先进的半潜式平台结构总强度评估方法是基于直接计算的评估方法[1]。波浪载荷是半潜式平台强度分析、结构设计与安全评估中一个非常重要的载荷之一[2]，多采用设计波法评估波浪载荷。

在半潜式平台设计之初，进行波浪载荷主尺度敏感性分析，了解平台主尺度变化对波浪载荷的影响，对主尺度选型有一定辅助作用。在平台总强度分析阶段，进行浪向、周期敏感性分析，正确评估最危险的目标波浪载荷或组合，对确定设计波及半潜式平台结构设计具有重要作用。

本文对一艘作业于南海的半潜式生产平台进行波浪载荷响应的数值分析，研究平台主尺度、波浪浪向及周期对波浪载荷的敏感性。通过优化分析方法，以4个平台主尺度为变量，进行波浪载荷预报，研究平台主尺度与平台波浪载荷的变化关系，进而可以在设计初期判断主尺度的调整对总强度载荷的影响。研究波浪浪向及周期对平台波浪载荷的敏感性，结合波浪载荷传递函数的特征，确定目标波浪载荷及组合目标波浪载荷，进而分析确定设计波的方法。

1 平台主尺度对波浪载荷敏感性

在进行生产平台整体设计之初，对波浪载荷的敏感性分析，意在通过优化设计方法，变化平台主尺度并进行波浪载荷分析预报，研究平台尺度与平台波浪载荷的变化关系。在进行总体设计选型时，尽量避开造成较危险波浪载荷的平台尺度范围及组合，为主尺度选型提供参考依据。

分别对平台总长、立柱宽、立柱高及下浮体深4个平台主尺度进行波浪载荷敏感性分析。利用优化分析方法[3]，将4个主尺度作为变量，在一定范围内变化变量值，并以排水量及稳心高为控制条件，限定控制条件变化范围，根据主尺度变量更新生成变化的湿表面模型及质量模型，进行平台水动力及载荷分析、波浪载荷短期预报，得到波浪载荷随这4个尺度变量的变化曲线。主尺度敏感性分析过程利用优化软件OPTIMUS集成建模及水动力分析软件SESAM，分析及调用流程如图1所示。变化4个主尺度，每一步变化1个主尺度变量，4个主尺度变化范围及变化步长见表1。循环图1的流程，即可得到主尺度变化对各波浪载荷变化的曲线。

图1 利用优化方法进行主尺度敏感性分析流程

表1 生产平台主尺度变化范围及步长

根据变化的主尺度自动生成的计算模型(湿表面模型、质量模型)如图2所示。利用此模型进行水动力分析，得到幅值响应算子(Response Amplitude Operator, RAO)后，进行波浪载荷短期预报，预报取南海五百年一遇环境条件，即：Hs=15.2m，Tp=16.1s，Tz=12s。

图2 尺度敏感性分析计算模型示意

保持其他3个尺寸变量不变，另一个尺寸变量从最小值变化到最大值时，对应波浪载荷的短期预报值增大的百分比见表2。

表2 波浪载荷变化百分比 %

由表2可以看出：(1) 在限制总吃水量在80 000～85 000 t的范围内(主尺度敏感性分析控制条件)，立柱高度对目标波浪载荷变化影响最小。(2) 从目标波浪载荷来看，纵向分离力、纵向剪力及上部模块加速度受平台主尺度变化影响较小，其中：立柱宽度变化对纵向分离力和纵向剪力的影响相对较大，立柱宽度增加会使这两个波浪载荷增大。(3) 纵向扭矩及垂向弯矩受平台主尺度(总长、立柱宽度、下浮体深)变化影响较大，其中：下浮体深度的变化对这两个目标波浪载荷影响最为明显，总长改变对扭矩的影响也很大。

对于纵向扭矩，影响最大的尺寸参数为总长及下浮体深度。图3和图4分别为纵向扭矩RAO幅值及预报值随总长的变化曲线。图5和图6分别为纵向扭矩RAO幅值及预报值随下浮体深度变化的曲线。由图3～图6可以看出，纵向扭矩RAO幅值及预报值大体上随下浮体深度和平台总长的增加而增加。在总长85.0～87.5 m变化时，纵向扭矩RAO幅值逐渐减小但预报值增大，这是由于其固有周期逐渐靠近波浪周期造成的。

图3 纵向扭矩RAO幅值随总长变化曲线

图4 纵向扭矩预报值随总长变化曲线

图5 纵向扭矩RAO幅值随下浮体深度变化曲线

图6 纵向扭矩预报值随下浮体深度变化曲线

对于垂向弯矩，影响最大的尺寸参数为下浮体深度及立柱宽，图7和图8分别为垂向弯矩RAO幅值及预报值随下浮体深度变化的曲线。图9和图10分别为垂向弯矩RAO幅值及预报值随立柱宽度变化的曲线。由图7～图10可以看出，垂向弯矩RAO幅值及预报值均随下浮体深度和立柱宽度增加而增加。

图7 垂向弯矩RAO幅值随下浮体深度变化曲线

图8 垂向弯矩预报值随下浮体深度变化曲线

图9 垂向弯矩RAO幅值随立柱宽变化曲线

图10 垂向弯矩预报值随立柱宽变化曲线

2 波浪浪向对波浪载荷敏感性

通过以上主尺度敏感性分析结论，结合平台主尺度选型的其他影响因素，确定平台的主尺度见表3。

系统软件功能主要包括:智能拐杖终端软件和手机端监测软件。其中,在智能拐杖终端软件中,UM220模块获取时间、空间信息以及移动速度,体温传感器获取老人体温,心率传感器获取老人心率,移动状态判断模块判断老人移动状态,LCD1602显示数据,GSM无线数据传输。手机端监测软件“北斗手杖”接收终端发送的信息。该系统的智能拐杖终端软件流程如图7所示。

表3 半潜式生产平台主尺度

对目标波浪载荷进行浪向敏感性分析，意在确定双目标波浪载荷的设计波。基于该平台确定尺寸后的波浪载荷RAO结果，发现横向分离力与纵向剪切力的RAO峰值周期相近，说明海况周期在RAO峰值周期附近时，这2组波浪载荷可能同时达到最大，或其组合效应最大，因此需考虑这2组波浪载荷的组合效应[4]。对这2组波浪载荷在其对应的最大浪向范围内(135°～180°)进行浪向敏感性分析，加密至5°间距。计算得到的RAO结果如图11和图12所示。由图11和图12可知，在7.0～7.5 s，10 s时，2组RAO均出现峰值。

图11 横向分离力RAO曲线

图12 纵向剪切力RAO曲线

分别对2组波浪载荷进行短期预报，取南海五百年一遇环境条件，预报结果见表4。由表4可以看出，在浪向为165°时，虽然分离力和纵向剪切力的预报值均未达到最大值，但合力达到最大。确定分离力及纵剪的组合目标载荷的设计波，即浪向165°，周期选择分离力较大的周期10.5 s。

表4 分离力及纵剪力浪向敏感性分析结果

3 波浪周期对波浪载荷敏感性

对波浪载荷进行波浪周期敏感性分析，通过在合理周期范围内进行搜索，得到最危险的目标波浪载荷预报值。根据船级社规范及经验，海况跨零周期Tz在12.0s±2.0s范围内进行目标波浪载荷搜索。

对目标载荷进行短期预报，浪向指定为各目标载荷的最大响应幅值方向。表5为各目标载荷对波浪周期敏感性分析对比结果。

表5 目标载荷对波浪周期敏感性分析结果

由表5可知：周期越小，各波浪载荷的响应预报值越大。对比各波浪载荷RAO曲线可以看出：越靠近载荷固有周期，响应值越大。

4 结论

本文对一艘半潜式生产平台波浪载荷的敏感性进行分析，研究平台主尺度、波浪浪向及周期对波浪载荷的影响，得到以下主要结论：

(1) 通过平台尺度的波浪载荷敏感性分析，发现平台立柱高度对目标波浪载荷变化影响最小；下浮体深度、总长及立柱宽对生产平台波浪载荷影响较大，主要为对于纵向扭矩及垂向弯矩的影响，在进行主尺度选型时，可以适当参考，避免较危险的波浪载荷组合。

(2) 确定尺寸平台波浪载荷的分析，对载荷响应固有周期接近的两组目标载荷进行浪向敏感性分析，发现在两个最大载荷产生的浪向之间存在使其合力最大的浪向角，得到以双目标载荷确定的设计波。

(3) 对平台进行周期的波浪载荷敏感性分析，发现波浪周期越接近载荷响应固有周期，得到的波浪载荷预报值越大，得到在合理波浪周期范围内最危险的波浪载荷，作为确定设计波及平台总强度分析的基础。

[1] 冯国庆，任慧龙，李辉，等. 基于直接计算的半潜式平台结构总强度评估[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2009(03)：255-261.

[2] 韩荣贵,时磊,王金光，等. 半潜式平台总体波浪载荷的几种算法对比[J]. 船舶标准化工程师, 2013(01)：38-40.

[3] Noesis Solutions Optimus Theoretical Background [M]. Gaston Geenslaan 11, B4-3001 LEUVEN,2013.

[4] ABS. Floating Production Installations [S]. 2012.

Wave Induced Loads Sensitivity Analysis for Semi-Submersible Production Unit

YANG Yue， JIANG An

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Sensitivity analysis for a induced loads for a semi-submersible production unit in South China Sea is presented, with the consideration of principal dimension, wave direction and period. Numerical analysis is carried out for wave load responses of the semi-submersible based on three-dimensional potential theories. With the help of optimized method, the impacts to wave induced loads by four variation principal dimensions are discussed. The critical wave loads and combination are evaluated as parameters of design waves by sensitivity analysis for wave induced loads of wave direction and period. The rules of changing on wave induced loads with principal dimension and wave direction and period are summarized, so as to make a conclusion for the subsequent design and structure research of semi-submersible production unit.

semi-submersible production unit; principal dimension; wave induced load; sensitivity analysis; design wave analysis

2016-05-27

工信部联装[2012]534号批文“深海半潜式生产平台总体设计关键技术研究”

杨 玥 (1988-)，女，工程师

1001-4500(2017)02-0074-07

F416.22

A