林 一， 胡安康,2， 蔣 瑋,2

(1 中集船舶海洋工程設(shè)計研究院，上海 201206； 2 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

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自升式鉆井平臺風(fēng)載荷試驗研究?

林 一1， 胡安康1,2， 蔣 瑋1,2

(1 中集船舶海洋工程設(shè)計研究院，上海 201206； 2 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

對于自升式鉆井平臺而言，風(fēng)載荷在所有環(huán)境載荷中比重最大。現(xiàn)行規(guī)范在計算平臺風(fēng)載荷時主要采用面積投影法，不考慮各構(gòu)件之間的空氣動力學(xué)干擾的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守，不利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。本文以CIMC自主研發(fā)的122 m水深自升式鉆井平臺為例，對其于在位狀態(tài)和遷航狀態(tài)的風(fēng)載荷進行風(fēng)洞試驗研究，并與規(guī)范計算結(jié)果進行對比驗證。結(jié)果表明，試驗結(jié)果要小于規(guī)范計算，空氣動力學(xué)干擾和升力作用的影響不可忽略。

自升式鉆井平臺； 風(fēng)載荷； 空氣動力學(xué)干擾； 風(fēng)洞試驗

大陸架油氣資源的廣泛開采是海洋油氣開發(fā)的重要組成部分，自升式鉆井平臺憑借其抗風(fēng)浪能力強、甲板面面積大、鉆井能力強的特點，在大陸架油氣開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。自升式鉆井平臺在工作時承受風(fēng)、海浪、海流、海冰等自然環(huán)境引起的載荷[1]，其中風(fēng)載荷是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要控制載荷，在所有環(huán)境載荷中比重最大。因此，風(fēng)載荷的研究對于自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全性而言顯然是很有必要的。

由于自升式平臺的結(jié)構(gòu)特點，其風(fēng)載荷確定較為復(fù)雜。首先主船體甲板和直升機甲板下有空氣間隙，在受風(fēng)時將有明顯的升力作用；其次平臺在外載荷作用下發(fā)生傾斜后，甲板底部也需計入受風(fēng)面積；再者，平臺各構(gòu)件之間的空氣動力學(xué)干擾也不可忽視。目前對于自升式平臺風(fēng)載荷的確定主要依據(jù)于各大船級社的規(guī)范，在計算風(fēng)載荷時采用面積投影法，構(gòu)件形狀系數(shù)和高度系數(shù)采取經(jīng)驗值，不考慮各構(gòu)件之間的空氣動力學(xué)干擾(遮蔽效應(yīng)、加速效應(yīng))，因此計算結(jié)果是偏于保守的。Boonstra H在北海一艘半潛式平臺上實測的風(fēng)力值和按DNV規(guī)范計算的風(fēng)力值的比較，記錄的300多組數(shù)據(jù)均表明實測觀察值僅為計算值的50%[2]；文獻[3]對一艘半潛式平臺進行風(fēng)洞試驗后發(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)果小于按ABS規(guī)范計算的值。

目前國內(nèi)外研究海洋平臺風(fēng)載荷的常用方法主要有3種：現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗[4]。中國目前缺少相關(guān)的海洋平臺風(fēng)載荷現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬的準確度還有待進一步的驗證，因此風(fēng)洞試驗成為平臺風(fēng)載荷確定的有效手段。本文以中集船舶海洋工程設(shè)計研究院(CIMC)自主研發(fā)的122m水深自升式鉆井平臺為例，在規(guī)范計算的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)洞試驗進行風(fēng)載荷的對比驗證，明確風(fēng)載荷大小對結(jié)構(gòu)安全性的影響，為進一步對自升式平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計打好基礎(chǔ)。

1 規(guī)范計算

1.1 平臺基本參數(shù)

本文選用的122m水深自升式鉆井平臺采用三樁腿桁架式結(jié)構(gòu)(見圖1)，樁腿為菱形連接，最大工作水深122m水深，最大鉆井深度9144m，入級ABS船級社，平臺基本參數(shù)見表1。

圖1 平臺側(cè)視圖Fig.1 Outboard profile of jack-up

參數(shù)Parameter數(shù)值Value/m總長Length70.40型寬Breadth74.20型深Depth9.40樁腿長度Leglength166.98井架高度Derrickheight51.82井架底部寬度Derrickbottomwidth12.19

1.2 規(guī)范規(guī)定

基于目標(biāo)平臺入級ABS船級社，本文主要依據(jù)ABS的MODU規(guī)范[5]進行風(fēng)載荷的計算。規(guī)范規(guī)定對于無限作業(yè)區(qū)域的平臺，其最小設(shè)計風(fēng)速應(yīng)為：(a)風(fēng)暴自存工況：51.5m/s(100kn)；(b)正常作業(yè)工況：36m/s(70kn)。在計算風(fēng)載荷時，風(fēng)壓按式(1)取值，風(fēng)力按式(2)取值。

(1)

F=PA

(2)

式中：f= 0.611；Vk表示設(shè)計風(fēng)速；Ch表示高度系數(shù)，Cs表示形狀系數(shù)，具體取值參照文獻[5]；A表示平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積。

1.3 規(guī)范計算

本文基于NAPA軟件對400英尺自升式鉆井平臺在位/遷航狀態(tài)下的風(fēng)載荷進行建模計算(見圖2)。計算取12個風(fēng)向角，在0°～360°范圍內(nèi)，以每30°風(fēng)向角為角度間隔。NAPA基于文獻[5]計算得到的風(fēng)載荷規(guī)范值將作為風(fēng)洞試驗的比較基準。

圖2 NAPA計算模型Fig.2 NAPA calculation model

1.4 規(guī)范討論

通常認為風(fēng)力和風(fēng)速的關(guān)系是正確的，這一點也可從圖1反映出來。風(fēng)力值的差別主要體現(xiàn)在構(gòu)件間空氣動力學(xué)干擾、升力作用的考慮以及形狀系數(shù)的選取。

構(gòu)件間空氣動力學(xué)干擾包含兩種可能的效果：遮蔽效應(yīng)和加速效應(yīng)。遮蔽效應(yīng)會降低作用在下風(fēng)構(gòu)件上的風(fēng)壓，從而使整體風(fēng)載荷有所降低，這也是主要的干擾現(xiàn)象。現(xiàn)行船級社規(guī)范在確定平臺受風(fēng)構(gòu)件在風(fēng)向的投影面積時，不考慮受風(fēng)構(gòu)件之間的遮蔽效應(yīng)，這樣就給計算結(jié)果帶來相當(dāng)?shù)恼`差。

自升式平臺上大的平表面，如主船體的甲板底面、直升機甲板等，在受風(fēng)作用時將產(chǎn)生升力。在風(fēng)速較大時，升力和阻力在數(shù)值上基本是同一量級，將會降低其對水面以上部分的風(fēng)傾力矩，因此不考慮升力作用將使計算結(jié)果偏于保守。

現(xiàn)行船級社規(guī)范給出的形狀系數(shù)在計算自升式平臺正浮或小傾角時相對比較準確[6]，但其只考慮受風(fēng)構(gòu)件投影面積隨風(fēng)向的變化，并未考慮形狀系數(shù)隨風(fēng)向角的相應(yīng)變化，這樣也將導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守。

2 風(fēng)洞試驗

本文選用的122m水深自升式鉆井平臺在結(jié)構(gòu)計算時發(fā)現(xiàn)，風(fēng)載荷的影響占到所有環(huán)境載荷的42%，遠大于其他載荷。為了保證平臺結(jié)構(gòu)的安全性，以及進一步的優(yōu)化設(shè)計，需要對風(fēng)載荷的大小進行深化研究。

船級社規(guī)范規(guī)定[5]，作為風(fēng)載荷規(guī)范計算的替換，由知名試驗室進行的具有代表性的平臺模型風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，可作為確定風(fēng)壓及其合力的依據(jù)。因此CIMC委托國際知名的安邸建筑與環(huán)境工程國際咨詢公司(RWDI)在英國Dunstable風(fēng)洞試驗室進行了相關(guān)試驗。

2.1 試驗條件及試驗?zāi)Ｐ?/p>

Dunstable風(fēng)洞試驗室擁有一座全鋼結(jié)構(gòu)回流式邊界層風(fēng)洞，試驗段長16.3m，橫斷面寬2.4m，高2m，最大設(shè)計風(fēng)速24m/s。

平臺風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ褪且?22m水深自升式鉆井平臺為參考，按1∶200縮尺制作的剛性模型。在位和遷航狀態(tài)的試驗?zāi)Ｐ鸵妶D3～5。平臺在位狀態(tài)時，船體底面與平均海平面的氣隙為12.2m；遷航狀態(tài)時，主船體吃水為6.4m。

平臺風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ途哂幸欢ǖ膹姸群蛣偠?，在幾何外形、重量重心上與實際相似，同時保證流動相似。此外，對實際平臺上的細小結(jié)構(gòu)和對空氣動力影響不大的構(gòu)件予以簡化處理。

鉆井平臺被安裝在五分力基底天平上，用于測試風(fēng)載荷，其中，合剪力可以體現(xiàn)風(fēng)載荷的大小，合力矩可以反映風(fēng)載荷的作用點。在風(fēng)洞試驗之前，通過加載試驗，對天平進行標(biāo)定。風(fēng)洞試驗中采樣頻率為100Hz，模型采樣長度為60s，相對于實際尺度45min。

圖3 正常工作狀態(tài) 圖4 風(fēng)暴自存狀態(tài)

Fig.3NormaldrillingconditionFig.4Severestormcondition

圖5 遷航狀態(tài) 圖6 坐標(biāo)系統(tǒng)

Fig.5TransitconditionFig.6Coordinatesystem

2.2 試驗風(fēng)速和風(fēng)向

對于自升式平臺的風(fēng)載荷試驗，最重要的是模擬大氣平均風(fēng)速剖面，即保證流動相似[7]。本試驗中，通過在風(fēng)洞工作段前方設(shè)置適當(dāng)?shù)奈闪靼l(fā)生裝置和地面粗糙元進行模擬，以獲得所要求的風(fēng)速剖面和紊流結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)流速沿高度變化，其中平均風(fēng)剖面冪指數(shù)為0.09。

試驗中，整體結(jié)構(gòu)上力和力矩的坐標(biāo)系統(tǒng)可參照圖7，試驗選取12個風(fēng)向角，在0°～360°范圍內(nèi)，以每30°風(fēng)向角為角度間隔。

2.3 雷諾數(shù)討論

為了使模型試驗反映實際結(jié)構(gòu)的受力情況，應(yīng)當(dāng)保證模型與實際結(jié)構(gòu)的雷諾數(shù)一致。但建筑物的邊界層風(fēng)洞試驗一般無法滿足雷諾數(shù)的相似性要求。對有尖銳棱角的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，雷諾數(shù)在很大范圍內(nèi)是不明顯的，只有對圓柱形或具有圓弧角的構(gòu)件才可能存在較明顯的雷諾數(shù)影響，對于本文的試驗主要體現(xiàn)在樁腿的圓形斜桿部分。

樁腿斜桿部分直徑為325mm，在設(shè)計風(fēng)速下其雷諾數(shù)落入臨界區(qū)內(nèi)，雖然臨界區(qū)阻力系數(shù)達到最小，但也引入許多不確定因素，如對風(fēng)速變化、構(gòu)件表面粗糙度的過度敏感，因此實際操作中建議對亞臨界狀態(tài)的試驗結(jié)構(gòu)考慮適當(dāng)?shù)睦字Z數(shù)影響折減。由于在位狀態(tài)暴露于風(fēng)場的樁腿較短，雷諾數(shù)影響很小，因此僅考慮其對遷航狀態(tài)風(fēng)載荷的影響。經(jīng)討論，考慮雷諾數(shù)影響對樁腿斜桿部分的荷載折減為0.75，發(fā)現(xiàn)其對整體風(fēng)載荷影響小于5%。因此，本文不進行折減，取略顯保守的結(jié)果。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 平臺整體風(fēng)載荷分析

本次風(fēng)洞試驗對目標(biāo)平臺在位情況下正常工作和風(fēng)暴自存工況，以及遷航狀態(tài)下油田遷航以及遠洋遷航的風(fēng)載荷進行分析，并與按照ABS規(guī)范計算得到的風(fēng)載值，進行對比，結(jié)果如下：(1)在位狀態(tài)，圖7和8為平臺在位狀態(tài)下，正常作業(yè)和風(fēng)暴自存工況受風(fēng)合剪力及合力矩的比較，合力矩的參考點位于泥面以下3.05m。表2給出了合剪力比較的具體數(shù)值，由于篇幅關(guān)系，合力矩的數(shù)值不再贅述。

風(fēng)洞試驗的結(jié)果與規(guī)范計算相比，在整體趨勢上相對一致，但在數(shù)值上相差約30%，這也從側(cè)面反映規(guī)范計算的結(jié)果相對保守。究其原因，正如上文所分析，主要是由于規(guī)范忽視構(gòu)件間空氣動力學(xué)干擾、升力作用以及形狀系數(shù)的選取過于保守造成的。此外，風(fēng)暴自存工況平均相差約31.2%，正常作業(yè)工況平均相差約28.6%，說明隨著風(fēng)速的增大，規(guī)范計算的保守性顯得更為明顯。

從風(fēng)向角的變化來看，0°角左右的結(jié)果相差最大，90°和270°的結(jié)果相差相對較小。這是由于0°角時，平臺的上層建筑對其下風(fēng)向的樁腿、懸臂梁和井架存在較為明顯的遮蔽效應(yīng)，而且直升機甲板的升力作用也不可忽視；而90°和270°角時，遮蔽效應(yīng)的影響減到最小。

表2 在位狀態(tài)下的合剪力Table 2 Resultant shear force in in-place condition

圖7 在位狀態(tài)下合剪力比較Fig.7 Comparison of resultant shear force in in-place condition

圖8 在位狀態(tài)下合力矩比較Fig.8 Comparison of resultant overturning momentin in-place condition

(2)遷航狀態(tài)，圖9和10為平臺遷航狀態(tài)下，油田遷航和遠洋遷航工況受風(fēng)合剪力及合力矩的比較，合力矩的參考點位于主船體基線處，表3仍舊給出合剪力比較的具體數(shù)值。

表3 遷航狀態(tài)下的合剪力Table 3 Resultant shear force in transit condition

風(fēng)洞試驗的結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果相比，整體趨勢上較為一致，而且數(shù)值上也較為接近，均差在7%左右。這是由于遷航狀態(tài)下樁腿是主要的受風(fēng)構(gòu)件，雖然此時主船體上仍存在遮蔽效應(yīng)，但由于受風(fēng)高度很低，因此其風(fēng)載荷只占整體風(fēng)載荷的一小部分。

總體而言，無論是油田遷航還是遠洋遷航工況，規(guī)范值與試驗值均符合較好。這也說明現(xiàn)行規(guī)范在進行遷航狀態(tài)風(fēng)載荷計算時，其計算值與實際情況較為類似，其精度已滿足工程需要。

圖9 遷航狀態(tài)下合剪力比較Fig.9 Comparison of resultant shearforce in transit condition

圖10 遷航狀態(tài)下合力矩比較Fig.10 Comparison of resultant overturningmoment in transit condition

3.2 風(fēng)向角的影響

為了驗證風(fēng)向角對于平臺風(fēng)載荷的影響，選取在位狀態(tài)作為研究對象，將其合剪力和合力矩?zé)o量綱化(合力矩參考點位于主船體底部)進行比較分析。

圖11為正常作業(yè)工況下，合剪力和合力矩隨風(fēng)向角的變化。合剪力和合力矩的變化并不一致，最大合力矩和最大合剪力并不發(fā)生在同一風(fēng)向，這是由平臺結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的外形和布置位置、以及不可忽略的升力影響所造成的。合力矩與合剪力隨風(fēng)向的變化范圍分別為58%和41%，合力矩對風(fēng)向更為敏感。進一步研究表明，風(fēng)暴自存工況也存在同樣的現(xiàn)象，說明針對于本平臺而言這種趨勢是一致的。

圖11 風(fēng)載荷隨風(fēng)向角的變化Fig.11 Change of wind load according to direction

3.3 升力的影響

上文已經(jīng)說過，對于在位狀態(tài)的自升式平臺而言，主船體甲板和直升機平臺的升力對傾覆力矩有不可忽略的作用。等效力臂長度(即傾覆力矩與風(fēng)力的比值)可以很好地反映出升力的影響。

圖12反映了在位狀態(tài)下作業(yè)和風(fēng)暴工況的等效力臂長度隨風(fēng)向角的變化。可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)風(fēng)向時的等效力臂長度比順風(fēng)向時的長度減少將近一半，這充分反映了直升機甲板升力的貢獻。

圖12 等效力臂長度隨風(fēng)向角的變化Fig.12 Change of arm of force according to direction

由于在位狀態(tài)下進行傾角試驗來驗證升力的影響在試驗技術(shù)上存在難度，因此僅對遷航狀態(tài)進行0°、5°和10°的傾角試驗(見圖13)。值得一提的是，盡管在實際遷航中，很少會發(fā)生如此大傾角的情況，一般而言傾角都在2°左右，但是作為求證一般性結(jié)論的方法而言還是可行的。

圖14中可以明顯得看到，隨著傾角的增加，最大等效力臂和傾覆力矩也相應(yīng)增加，尤其是在風(fēng)向角為0°時表現(xiàn)得尤為明顯，這與主船體甲板和直升機甲板的受風(fēng)導(dǎo)致的升力影響是直接相關(guān)的。

圖13 遷航狀態(tài)下傾角試驗Fig.13 Inclined experiment in transit condition

圖14 各傾角下的等效力臂長度Fig.14 Arm of force in different degrees

4 結(jié)論

本文針對122m水深自升式鉆井平臺的風(fēng)載荷開展規(guī)范計算和風(fēng)洞試驗研究，得到結(jié)論如下：

(1)風(fēng)洞試驗結(jié)果普遍小于規(guī)范計算結(jié)果，這與規(guī)范計算不考慮空氣動力學(xué)干擾(尤其是遮蔽效應(yīng))和升力的影響有關(guān)。相比于在位狀態(tài)，遷航狀態(tài)的規(guī)范計算結(jié)果更接近于試驗結(jié)果。

(2)由于不可忽略的升力影響，最大傾覆力矩和最大水平剪力不出現(xiàn)在同一風(fēng)向。

(3)等效力臂長度能反映升力作用對傾覆力矩的影響，通過傾角試驗發(fā)現(xiàn)升力作用對于風(fēng)載荷的影響不可忽略。

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責(zé)任編輯 陳呈超

Research on Wind Load for Jack-up Drilling Platform Based on Wind Tunnel Experiment

LIN Yi1, HU An-Kang1,2, JIANG Wei1,2

(1 China Intemational Marine Container Ocean Engineering D&R Institute, Shanghai 201206,China; 2 Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Compared with other environment loads, the wind load takes up a much larger proportion in structure analysis for jack-up drilling platform. According to the MODU rules, the projected area method is used to calculate wind load. However, the aerodynamic interference between platform components is ignored, so the calculation results are conservative and not good for structure optimization designing. In this paper, a 400ft jack-up, which is developed by CIMC, is studied as an example. The wind loads in in-place and transit modes are obtained in the wind tunnel experiment. Compared with the results, which are calculated according to MODU rules, it indicates that the experiment results are less, and the effects of aerodynamic interference and lift can not be ignored.

jack-up drilling unit; wind load; aerodynamic interference; wind tunnel experiment

國家自然科學(xué)基金項目(51079034);中央高?？蒲谢痦椖?HEUCFR1003)資助

2013-10-20；

2014-03-25

林 一(1984-)，男，博士。E-mail：linyi1207@163.com

U661.43

A

1672-5174(2015)06-116-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20130286