半潜式平台波浪砰击分析与应用

高 畅，田其磊，李红涛

(中国船级社 海工技术中心，天津 300457)

0 引 言

半潜式平台能够克服较为恶劣的海况条件，在深水海域石油勘探开发领域发挥着非常重要的作用[1-2]。气隙与砰击问题是半潜式平台设计的关键问题之一：过小的气隙会使平台受到波浪砰击，从而引起结构损坏；过大的气隙会直接影响平台造价，降低经济性。2015年，某半潜式平台在挪威海域遭遇陡峭波浪的砰击，造成平台结构损坏及人员伤亡，引发整个行业对半潜式平台现有气隙设计和安全性的担忧。中国船级社(CCS)、挪威船级社(DNV)、美国船级社(ABS)等均据此开展研究，提出半潜式平台允许存在一定的负气隙，但平台的砰击强度必须满足规范要求[3]。

波浪砰击问题涉及强烈的非线性和不确定因素，目前通常采用理论计算与试验相结合的方式[4]进行分析。理想的计算方法是采用CFD方法，CFD方法可考虑流体黏性和空气压缩等效应对波浪砰击的影响[5]。然而，受计算效率的限制，该方法较难应用于形式复杂且尺寸较大的结构物，在实际工程应用中具有较大的局限性。半潜式平台作为复杂庞大的海洋工程结构物，在设计、营运阶段的砰击分析既须满足实际工程对准确性的要求，又须满足工程应用对计算效率的要求。因此，如何选择适当的计算方法，尽可能快速且足够保守地估算波浪对平台结构的砰击作用，是目前亟需解决的问题。

1 砰击分析流程

半潜式平台砰击分析需要从平台整体完整性与受砰击结构局部完整性两方面进行考虑。其中，平台整体完整性须考虑：(1)甲板载荷过大导致漂浮稳性丧失；(2)甲板上浪或进水导致漂浮稳性丧失；(3)甲板载荷或水平加速度过大导致结构完整性丧失；(4)过大的局部载荷导致甲板构件倒塌；(5)波浪砰击破坏导致结构进水；(6)波浪砰击导致救生艇或其他主要安全设施的功能丧失等。局部完整性分析可按照受砰击位置的结构形式，分为：(1)加筋板结构完整性分析；(2)强梁结构完整性分析；(3)圆管结构完整性分析；等等。

图1为半潜式平台砰击分析的基本流程，综合考虑典型的整体完整性分析和局部完整性分析。

图1 半潜式平台砰击分析流程

砰击分析以气隙分析的结论为基础输入数据，需综合考虑负气隙值、波浪砰击方向以及发生负气隙位置的结构特点、功能特点，选取若干典型位置进行局部砰击分析。先计算波浪水平砰击载荷时间历程，再对结构进行非线性瞬态分析，从而校核结构局部强度是否满足规范要求。当局部结构完整性丧失或存在甲板上浪等情况时，还须对平台进行包括破损稳性、漂浮稳性在内的整体完整性分析。

2 砰击局部完整性分析方法

基于试验数据获得的经验公式法在工程分析中应用较广。下面介绍砰击时间历程法和楔形块入水法两种计算波浪砰击的经验公式法。

2.1 砰击时间历程法

砰击时间历程法以气隙分析结论为依据，通过经验公式，依据局部受砰击结构的垂向相对位置，确定砰击载荷的时间历程，再通过瞬态动力分析或等效静力分析，校核结构局部强度是否满足规范要求。

2.1.1 砰击压强峰值

在砰击载荷时间历程中，最重要的参数之一是砰击压强峰值。各船级社根据水池试验给出砰击压强峰值的经验公式。试验表明，测量到的压强峰值与受砰击结构的垂向位置和测量区域面积有关。例如DNV规范给出压强峰值的分段图[6-7]，其横坐标为压强峰值，纵坐标为加载区域中心位置距静水面的垂向高度与百年一遇的最大波面高度的比值。根据受砰击结构的垂向相对位置、结构形式等，可计算对应的压强峰值。另外，如果入射波浪方向不垂直于被砰击的甲板箱结构，压强峰值可根据实际波浪方向进行折减。又如ABS规范给出砰击压强峰值的计算公式为Ppeak=kfafefsHs，式中：Ppeak为砰击压强峰值；k和fa分别为常量系数和设计系数，根据水池试验给出推荐取值；fe和fs分别为高度系数和形状系数；Hs为设计海况有效波高[8]。根据该经验公式，亦可通过受砰击结构的高度和形状特点，同时考虑一定的计算系数，得出有义波高与压强峰值之间的关系。

2.1.2 载荷时间历程

砰击载荷的时间历程曲线呈近似三角形(见图2)。通常载荷上升时间平均为10～20 ms，对于形式较为规整的结构，载荷上升时间为10 ms。持续载荷水平表征着在特定时间间隔内的砰击载荷总体水平，可通过压强峰值与载荷持续时间得到。砰击载荷整体持续时间一般为40～100 ms。

图2 砰击载荷时间历程曲线

2.1.3 结构分析方法

在得到砰击载荷时间历程后，推荐采用显示动力学方法进行结构分析。显式动力学方法要求时间步长足够小，这使其更适用于载荷作用时间较短的瞬态分析，例如冲击分析、爆炸分析等。

1.2.2 染色体核型分析 采用G显带制备技术对脐血及外周血进行常规G显带(500～550条带)检测。

当平台上部结构遭受波浪砰击时，拉伸破坏为结构的主要失效模式，应采用塑性应变作为结构失效的控制参数。当塑性区范围小于20t(t为钢板厚度)时，该区域最大主应变εcrl应小于以下修正值：

(1)

式中：εcrg为总屈服临界应变，可通过一块承受轴向载荷的钢板计算得到；l为最大主应变方向上的单元长度。

2.2 楔形块入水法

楔形块入水法是一种传统的砰击问题简化分析方法，即将波浪砰击结构物转化为楔形体以速度V穿过静水面的问题。早在1932年，WAGNER对不同斜升角的楔形体入水进行试验研究[9]。在将这种方法应用于海洋工程结构物砰击问题时，应注意船体与波浪之间的垂向相对速度这一重要参数，需同时考虑船体运动速度和波浪水质点速度。试验表明，作用在结构物上的平均砰击压强Ps与空间平均砰击压强系数CPa和水体与物体表面的相对法向速度V的平方成正比，CPa又与底升角β的大小相关[10]。具体计算式为

(2)

式中：ρ为流体密度。

3 算 例

以某第四代半潜式钻井平台为例，该平台为双体船型，共有4根稳性立柱，立柱间有横向撑杆。平台总长为99.4 m，总宽为87.8 m，立柱中心纵向间距为56.2 m，自存吃水为18.4 m。环境条件选取中国南海典型环境参数，自存工况下的极限有义波高为13.7 m。

3.1 砰击时间历程法

根据气隙分析的计算结果，算例平台甲板箱外缘存在负气隙。立柱外板、舷侧外板、艏艉外板最小负气隙如表1所示。结合最小负气隙，综合考虑波浪砰击方向、平台舷侧结构特点等因素，选取舷侧外板进行砰击分析。在建模时，板、骨材、强梁、肘板均采用4节点平面单元进行详细模拟，单元尺寸按照由密到疏的顺序由研究区域向外扩展，局部高应变区域使用2t×2t的网格划分。模型边界以不影响研究区域响应分布为原则，建模范围从加载区域向外延伸至少一个舱壁的距离。在局部模型中，切割的断面位置加铰支约束，如图3所示。

表1 不同位置外板最小负气隙

图3 算例平台左舷中部外板局部模型

研究区域为平面板梁结构，砰击载荷直接作用在平板上。根据研究区域的垂向高度，作用在双层底高程加筋板结构上的砰击载荷最大，按照第2.1节所述方法得到砰击载荷时间历程曲线如图4所示。

图4 作用在双层底高程加筋板结构上的砰击载荷

计算得到算例平台受砰击结构主应力如图5所示，校核结果如表2所示。

图5 算例平台受砰击结构主应力

表2 砰击时间历程法校核区域计算结果

3.2 楔形块入水法

在结构物表面离散二次等参单元，在某节点位置处，当波浪与船体发生相互作用时，根据式(2)确定Ps，进而得到整个受砰击位置的平均压强分布情况，再应用准静力法计算受砰击结构的强度。通过计算得到算例平台舷侧位置最大平均砰击压强为286 kPa，受砰击结构的等效应力为321 MPa，应力云图如图6所示，校核结果如表3所示。

图6 算例平台受砰击结构应力云图

表3 楔形块入水法校核区域计算结果 MPa

3.3 分析与对比

将砰击时间历程法与楔形块入水法的计算结果进行对比，两种方法各有优缺点，在实际工程应用中可根据具体需求选择适当的计算方法，尽可能快速且准确地评估波浪对半潜式平台结构的砰击作用。具体如下：

(1)砰击时间历程法主要根据水池试验推算砰击载荷经验公式，能较为真实地反应砰击对半潜式平台结构的作用，在应用中重点解决模型试验以及瞬态结构分析和校核等问题，因受限于模型的时历计算量，往往在局部强度分析中占有优势，且只适用于平台舷侧外板的砰击强度分析。

(2)楔形块入水法将流体载荷计算方式应用于半潜式平台的外板砰击分析，重点解决船体外板与波浪水质点的垂向相对速度及夹角的问题。由于不确定因素较多，参数均需取自经验值，计算过程属于静力分析，计算结果相对砰击时间历程法偏小，尤其是对于平台侧向外板的砰击分析准确度，更值得商榷。

(3)砰击时间历程法通常需要试验结果的支持，以确定砰击压强时历曲线，对于新的半潜式船型须进行水池试验后才能较为精确地确定砰击载荷。目前，船级社规范为指导工程设计给出的广泛适用的砰击载荷时历曲线较为保守，但也可为工程设计提供参考。

(4)砰击时间历程法和楔形块入水法均只提供结构设计的载荷输入，但两种方法的结构校核方式不同。砰击时间历程法推荐显示动力学方法进行结构分析，计算量较大，但较为精准；楔形块入水法采用传统的静态结构分析方法，载荷输入的准确性将直接影响最终分析结果。

(5)两种方法各有优劣，都能计算得到波浪砰击载荷，满足实际工程需求。砰击时间历程法适用于半潜式平台的侧向外板强度分析，但需要较为精确的砰击压强时历曲线作为输入；楔形块入水法更适用于半潜式平台的底板强度分析，前提是需要比较准确的计算参数。

4 结 论

对半潜式平台的波浪砰击分析方法进行研究，给出砰击时间历程法和楔形块入水法两种砰击强度分析方法，并提出半潜式平台波浪砰击的分析方法和流程，可为半潜式平台结构设计和评估提供参考。值得注意的是，在实际平台设计时，对于新的船型开发，除对结构进行砰击分析外，往往还需通过模型试验进行波浪砰击分析验证。