半潜平台气隙的海域适用性分析
发布时间：2020-04-15
摘要半潜平台气隙性能的好坏关系着平台生产作业及平台人员的安全，在结构设计中具有重要的意义。对于许多老型平台，由于早期的分析手段有限，在设计时并没有考虑由于负气隙带来的砰击对底部结构的损伤，而采用现有手段进行重新评估时需要对老平台进行改造，成本较高。本文通过采用DNVGL-OTG13中的气隙分析方法，对一平台的气隙性能进行分析，并通过在某海域选取一系列的环境条件，给出保证平台正气隙前提下的波高-周期的包络线，从而在不改造结构的前提下选取合适的海域进行作业。
关键词气隙;砰击;DNVGL-OTG13;包络线
0引言
随着浮式半潜平台在海洋石油勘探的广泛应用，其气隙问题越来越受到业界学者的关注[1-2]。在半潜平台气隙计算时，既要考虑平台的一阶运动以及一阶波面升高的影响，又要考虑波浪本身的非线性以及浮体二阶非线性运动的影响[3]。在早期平台设计时，气隙计算大部分都是基于势流理论，仅考虑浮体的一阶运动以及线性波面升高，但是研究表明，虽然线性方法能够较为准确的获得平台运动情况，但是会严重低估各个位置处的波面升高[4]。负气隙可能对结构造成砰击，而砰击载荷会对结构强度造成影响，在结构设计时需要加以考虑[5]。由于早期的分析手段有限，对于一些老旧平台，在气隙计算时，仅考虑一阶线性运动和线性波面升高时，气隙结果均为正，因此在结构设计时并没有考虑砰击载荷的影响[6]。但是在一些老旧平台检修时，发现立柱和甲板连接处出现裂纹。并且，对老旧平台采用现有的技术方法进行重新评估时，有些结构出现明显的负气隙，需要进一步对结构进行砰击校核以及结构加强，平台改造的费用较高。
对于老旧平台，为了减少改造成本，节约改造时间，可以对平台气隙采用新规范进行重新校核，给出保证平台正气隙条件下的可以作业的海域条件。本文通过采用早期分析方法(线性方法)和DNVGL-OTG13[7]中的气隙分析方法进行对比，说明新旧方法带来的气隙结果的差异;并进一步的，对需要作业的海域选取一系列的环境条件，采用新的气隙分析方法，给出保证平台正气隙条件下的波浪周期-波高的包络线，对可作业区域给出建议。
2数值模型
2.1半潜平台模型
本文数值模型采用某半潜平台，该平台为双船体型，共有4根立柱以及两根横撑。假定该平台为自由漂浮的浮体，其尺寸参数如表1所示。
该平台气隙计算目标点全部分布在下甲板的下表面上，共计54个计算目标点，其分布如图1所示。
2.2环境条件
在设计波统计分析中使用的波浪谱为JONSWAP谱，其中自存工况的谱峰周期范围为5～30s，其中5～19s之间的间隔为0.5s，19～30s的间隔为1.0s，最大有义波高为15.9m;作业工况的谱峰周期范围为5～25s，间隔为0.5s，最大有义波高为7.62m。
3数值计算分析
对于一些老平台，基设在气隙计算时，不考虑非线性波面升高和低频二阶力对气隙的影响。本文采用基设的设计方法(线性方法)和DNV规范新方法[7]分别计算半潜平台在给定的一系列极限海况下的气隙的最小值，自存工况和作业工况的结果如图2和图3所示。从图中可以看出，对于一些老平台来说，采用原始的气隙计算方法时，自存和作业工况下结构的气隙值均为正值，因此在结构设计时不需要考虑波浪砰击的影响，结构不需要加强;但是采用DNV规范新方法时，由于考虑了波面升高的非线性以及低频二阶运动对气隙的影响，结构出现明显的负气隙，自存和作业工况下的气隙最小值大约为-5m左右，负气隙比较严重的部位出现在立柱附近，对立柱和底部甲板会造成砰击，从而对结构强度和结构疲劳造成影响。而该平台在设计时并没有考虑砰击带来的影响，因此该平台在现阶段服役时，需要进一步校核气隙以及砰击对结构强度的影响，并对结构进行加强。但是在老旧平台改造中，结构加强相对复杂，并且费用较高。因此为了节约成本，可以对平台评估时，在保证平台正气隙的前提下，给出平台可以作业的环境条件，从而找到适合的环境海域进行作业。
为给出平台正气隙前提下的环境条件波浪周期-波高包络线，对于自存工况，选取极限环境条件下667个有义波高和谱峰周期的组合;对于作业工况，选取333个有义波高和谱峰周期的组合，如图4和图5中散点所示。
对上述环境条件下平台的气隙采用DNV规范新方法进行计算，然后挑选出保证所有计算点都是正气隙的环境条件，并给出谱峰周期和有义波高的包络线，自存工况和作业工况的结果如图6和图7所示。对于自存工况和作业工况中包络线出现的凹点，是由于其对应的谱峰周期在垂荡固有周期(自存工况的垂荡固有周期大约为20.18s，作业工况大约为21.85s)附近，引起了结构的共振。图中红色线以下的区域表示可以作业的区域，可以在选取海域的时候选取环境条件在此范围内的海域进行作业，以保证结构的安全。
4、结语
本文首先对一半潜平台采用线性方法和DNV新方法进行气隙分析，结果表明，采用DNV新方法结构出现明显的负气隙。为了不对平台进行改造并能保证平台继续作业，本文通过给定一系列环境条件，挑选出保证平台正气隙下的波浪-周期包络线，为平台可选作业海域提供建议。
半潜平台气隙的海域适用性分析相关期刊推荐：《海洋学报》(双月刊)创刊于1979年，是由中国海洋学会主办、中国科学技术协会主管、海洋出版社出版的海洋科学技术综合性学术期刊。主要刊载海洋水文、海洋气象、海洋物理、海洋化学、海洋地质、海洋地、海洋生物、海洋水产、海洋环境保护和海洋工程技术等领域的基础理论和应用技术研究方面的学术论文及综述。读者对象为与海洋学有关的科技工作者、大专院校师生。
