渤海淺水重冰區(qū)平臺群區(qū)域流冰狀態(tài)的模型試驗研究

張　偉， 黃　焱

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072)

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渤海淺水重冰區(qū)平臺群區(qū)域流冰狀態(tài)的模型試驗研究

張偉1， 黃焱2

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072)

摘要：在我國渤海淺水重冰區(qū)域存在多個區(qū)域矗立有網(wǎng)絡(luò)式分布的平臺群，而當大面積浮冰漂移至該區(qū)域時，就有可能引發(fā)一系列顯著的冰災(zāi)害問題。針對矗立于我國渤海某區(qū)域的平臺群，進行平臺群區(qū)域流冰狀態(tài)的模型試驗。試驗中針對不同水位以及漂移方向下的流冰運動狀態(tài)進行了系統(tǒng)觀測，并針對平臺群內(nèi)不同的平臺結(jié)構(gòu)前的海冰堆積現(xiàn)象進行描述與評估。該文進行的工作，可為類似海域條件下具有平臺群結(jié)構(gòu)區(qū)域的流冰漂移狀態(tài)預(yù)判提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：平臺群；流冰狀態(tài)；模型試驗

0引言

圖1　渤海錦州9-3海域的沉箱式平臺群

隨著我國渤海海域石油開采業(yè)的迅猛發(fā)展，密集式、網(wǎng)絡(luò)式分布的平臺群結(jié)構(gòu)布置型式已在我國渤海淺水重冰區(qū)海域內(nèi)得到了越來越多的應(yīng)用，圖1為矗立于渤海錦州9-3海域的平臺結(jié)構(gòu)群。

在我國渤海淺水重冰區(qū)，平臺群結(jié)構(gòu)通常以1～2座重力式沉箱平臺為主，并在其周圍布置多座導(dǎo)管架式平臺形成網(wǎng)絡(luò)式分布。這樣一來，流冰在沉箱式平臺結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)前的運動及堆積過程即成為關(guān)注的重點。

目前，對于呈網(wǎng)絡(luò)式分布的平臺群結(jié)構(gòu)在抗冰性能上究竟該如何考慮，流冰在該平臺群區(qū)域內(nèi)與其在單獨結(jié)構(gòu)的運動的區(qū)別，尚未開展過系統(tǒng)的研究[1，2]。該文基于以上考慮，以錦州9-3西區(qū)平臺群為研究對象，開展了室內(nèi)模型試驗，針對流冰在渤海淺水重冰區(qū)平臺群區(qū)域運動狀態(tài)進行了模型試驗研究。

1模型試驗

所有模型試驗測試工作均在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實驗室內(nèi)完成。實驗室低溫空間面積216.0 m2，用于容納冰池并進行模型試驗，冰池長20.0 m、寬5.0 m、深1.8 m。實驗室制冷系統(tǒng)主要設(shè)備包括壓縮機組、冷風機，并通過均壓送風頂棚對低溫冰池內(nèi)的空氣降溫，可精確控制制冷量、溫降速度和室內(nèi)風速，從而對試驗中的制冷溫度在-25℃～0℃范圍內(nèi)進行精準的調(diào)節(jié)控制。

1.1模型率與模型比尺

在研究中，需要模擬冰蓋在結(jié)構(gòu)前的破壞，在這一過程中慣性力、重力和彈性力的作用占主導(dǎo)地位。因此，研究中使用Froude 和Cauchy 相似準則對平臺區(qū)域內(nèi)的碎冰堆積問題的研究模型進行縮尺[3，4]。

各物理參數(shù)在原型與模型間的相似比尺關(guān)系見表1，模型實驗的比尺λ=1:30。

表1　主要物理量的比尺

1.2試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ椭饕譃閮刹糠?，即上部支撐框架和下部平臺群模型，如圖2、圖3所示。上部支撐框架的構(gòu)造重點在于兩個方面：

(1) 為下部平臺群模型提供剛性支撐；

(2) 為下部各平臺模型間的位置關(guān)系提供準確定位。

其中：SLPW和DRPW平臺為兩座沉箱式平臺，CEPD平臺為一座8樁腿的導(dǎo)管架平臺。

圖2　平臺群模型上部剛性支撐框架

圖3　平臺群模型上部剛性支撐框架與平臺模型側(cè)面圖

1.3實驗條件的設(shè)置

由于試驗比尺較小，易導(dǎo)致試驗?zāi)M失真[4-6]，同時考慮對平臺群的試驗應(yīng)側(cè)重考察較為極端的工況，因此平臺群試驗選取100 年一遇冰情況進行模擬測試。表2列出了試驗中擬采用的冰條件參數(shù)。

表2　平臺群模型試驗中目標冰厚、冰強度參數(shù)與原型的對應(yīng)情況

在冰排通過平臺的過程中，流冰速度將對冰堆積進程產(chǎn)生重要影響。因此，試驗中將根據(jù)模型比尺各選取5種冰速工況進行試驗，涵蓋該模擬平臺區(qū)域可能出現(xiàn)的冰速范圍，從而確定平臺群前碎冰堆積情況。該區(qū)域海冰最大漂移速度為1.4 m/s，因此按照1:30 的幾何比尺，最大試驗冰速為255 mm/s，其余4種冰速則按照線性遞增的方式確定為50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s 和200 mm/s。當海冰從不同方向(冰攻角)通過平臺時，將產(chǎn)生不同的破壞模式、堆積效應(yīng)和冰荷載。根據(jù)平臺所在海域環(huán)境條件，主風向為SSW 和NNE，主流向為NE-SW，結(jié)合平臺布置方向，在該模型試驗中共設(shè)置5種冰攻角作用條件，其中，冰攻角0°和180°對應(yīng)主流向，冰攻角22.5°和-157.5°對應(yīng)主風向，增設(shè)的-90°冰攻角為風流聯(lián)合作用下的危險浮冰漂移方向，如圖4所示?？紤]水位變化對碎冰堆積效果具有重要影響，因此模型試驗中考慮了3 種水線面位置條件對試驗結(jié)果的影響,具體工況組合見表3。

圖4　平臺群在試驗中選取的5種冰攻角

表3　模型試驗工況組合

2試驗現(xiàn)象分析

該平臺群是由兩座沉箱式平臺和一個八樁腿的導(dǎo)管架平臺共同構(gòu)成。兩座沉箱平臺在所處海域的潮差段高程范圍內(nèi)均呈圓錐形結(jié)構(gòu)型式，在不同的水位條件下，沉箱平臺水線面處的直徑將具有較大變化，而碎冰沿沉箱表面的爬高也將隨之變化。同時，該導(dǎo)管架平臺在相應(yīng)的高程范圍內(nèi)也安裝了“正-倒錐”組合型式的抗冰錐體，海冰在通過該平臺時的運動特征也是受水位顯著影響的。因此，關(guān)于試驗現(xiàn)象與測試結(jié)果的分析討論將針對不同的水位試驗進行。

2.1最高天文潮水位試驗

在最高天文潮水位工況下，冰排通過導(dǎo)管架平臺時，在沿正錐體表面上爬很短的距離后，即會遭遇直立樁腿。此時，冰排的破壞模式可歸結(jié)為一種復(fù)合破壞模式，即彎曲-擠壓破壞。在這種破壞模式的作用下，冰排斷裂后的碎冰尺寸很小，因此不會在CEPD平臺模型前發(fā)生堆積。

首先，在冰功角-90°工況下，CEPD平臺正處于兩座沉箱平臺的迎冰向前端，這樣，漂移冰排將首先與CEPD平臺發(fā)生作用。如上所述，CEPD平臺模型區(qū)間內(nèi)的碎冰堆積并不會擴展至該區(qū)間以外。因此，在冰排通過該平臺模型后，將以碎冰流的形態(tài)向后側(cè)的沉箱平臺(SLPW平臺)行進，如圖5所示。海冰在沉箱平臺前的斷裂上爬進程是以其完整形態(tài)的保持為基礎(chǔ)的，因此，當碎冰流遭遇沉箱平臺時，多以沿沉箱兩側(cè)滑動的形態(tài)行進，并不會形成顯著的滯留與堆積，如圖6所示。

圖5　冰排穿越平臺群模型場景　　　　　　　　　　　　　圖6　碎冰流穿越沉箱平臺模型場景

其次，在冰功角-157.5°工況下，CEPD平臺正處于沉箱平臺DRPW的迎冰向前端，這樣，在這一作用條件下，DRPW沉箱平臺就處于CEPD平臺的掩護之中。此時，該平臺遭遇的也多為冰排通過CEPD平臺和SLPW平臺后產(chǎn)生的碎冰流，而碎冰流高度的流動性也保證了該平臺前碎冰堆積現(xiàn)象的消除，如圖7所示。在冰功角-157.5°工況下，CEPD平臺的布置并未形成對SLPW平臺與冰排作用的干擾，如圖8所示。SLPW平臺沉箱較緩的錐面結(jié)構(gòu)型式就為破壞后的碎冰“上爬-翻轉(zhuǎn)-堆積”進程提供了形成條件。同時，由于此時的高水位影響，碎冰在SLPW平臺沉箱上的上爬過程會很快發(fā)展至錐臺頂部，進而形成對平臺上部設(shè)施的威脅。

在冰功角調(diào)整至180°后，DRPW沉箱平臺將完全處于SLPW平臺的掩蔽之下，而冰排在CEPD平臺與兩座平臺間也未被有效地阻礙，如圖9所示。

在0°與22.5°冰功角下，新建CEPD平臺均處于兩座沉箱平臺的掩蔽效應(yīng)影響范圍之內(nèi)，因此碎冰堆積在CEPD平臺模型前基本未形成。而這同時也意味著CEPD平臺的存在，并未對兩座沉箱平臺與海冰作用進程構(gòu)成影響。此時，兩座沉箱平臺前均出現(xiàn)了顯著的碎冰堆積現(xiàn)象，而由于SLPW平臺的沉箱錐面坡度更緩，因此該平臺前的碎冰堆積機上爬現(xiàn)象要較DRPW平臺嚴重，如圖10所示。

圖7　碎冰流穿越DRPW平臺模型場景　　　　　　　　　　　圖8　SLPW平臺模型前的冰堆積

圖9　冰排通過SLPW、DRPW平臺模型場景　　　　　圖10　碎冰在SLPW、DRPW平臺模型前的堆積場景

2.2平均水位試驗

根據(jù)已有研究可知，在平均水位工況下，冰排通過CEPD平臺時將產(chǎn)生最大尺寸的碎冰塊，這是因為此時CEPD平臺上的抗冰錐體水線面直徑最大，且冰排將發(fā)生典型的彎曲破壞。因此，這就可能造成尺寸較大的碎冰塊在平臺間發(fā)生擁堵。

如圖11所示，試驗中由CEPD平臺破壞而成的大尺寸碎冰塊在遭遇后側(cè)的沉箱平臺后，仍舊保持了由沉箱兩側(cè)滑移通過的行進狀態(tài)。這是因為，這里所謂的大尺寸碎冰塊僅是相對CEPD平臺上的抗冰錐體而言，而相對沉箱平臺的整體錐型結(jié)構(gòu)就微不足道了，因此這些碎冰塊在沉箱結(jié)構(gòu)前仍舊表現(xiàn)為一種碎冰流的形態(tài)。

圖11　平臺群模型試驗場景(平均水位、冰功角-157.5°)

2.3最低天文潮水位試驗

在最低天文潮水位工況下，兩座沉箱平臺的水線面直徑達到最大，因此這一工況下發(fā)生平臺間碎冰堆積的可能性最大。

試驗觀測表明，盡管沉箱平臺的水線面直徑的增大導(dǎo)致了單體平臺前碎冰堆積的擴展，但流冰在平臺間仍保持了順暢通過。同時，由于在最低天文潮水位工況下，CEPD平臺上的抗冰錐體將保持倒錐體與冰排發(fā)生作用的狀態(tài)，因此這一水位下CEPD平臺所造成的冰排破壞區(qū)域最小，從而致使其對沉箱平臺的掩蔽效應(yīng)下降。

如圖12所示，冰排通過CEPD平臺模型后并未形成大面積的破壞，這樣在其遭遇沉箱平臺模型時仍具有很強的完整性，進而使沉箱平臺前的碎冰堆積規(guī)模發(fā)展是不受CEPD平臺模型影響的。但也應(yīng)注意到，盡管此時碎冰在沉箱平臺模型前的堆積規(guī)模出現(xiàn)了增長，但仍未延伸至CEPD平臺模型與冰排發(fā)生作用的區(qū)域，因此不會造成碎冰在平臺間的堆積。

另一個需要重點注意的現(xiàn)象是，在最低天文潮水位工況下，碎冰在SLPW平臺模型前的堆積現(xiàn)象十分嚴重。如圖13所示，碎冰已在沉箱的錐臺頂部形成了顯著的堆積。

圖12　平臺群模型試驗場景　　　　　　　　　　　　　　　　圖13　西區(qū)平臺群模型試驗場景

3測試結(jié)果分析

在每組模型試驗完成后，對各平臺前的碎冰堆積情況進行測量。測量結(jié)果表明：在所有組次的試驗中，流冰在平臺群的三座平臺間均未出現(xiàn)滯留和堆積現(xiàn)象。在試驗測試中，觀測對象主要針對兩座沉箱平臺模型前的堆積規(guī)模，而測量指標也主要集中在沉箱平臺前的最大碎冰堆積高度上。

由測試結(jié)果與試驗現(xiàn)象的分析可知，對于兩座沉箱平臺來講，由于錐型結(jié)構(gòu)差異，致使SLPW平臺沉箱上的碎冰堆積現(xiàn)象較DRPW平臺嚴重。同時，在最低天文潮水位下，兩座平臺前的碎冰堆積較其它兩個水位的也顯著，碎冰堆積的規(guī)模也隨著冰速增加呈現(xiàn)增長態(tài)勢。以最低天文潮水位條件的系列試驗為例，對上述規(guī)律作更為直觀地展示，圖14為最低天文潮下不同冰攻角時沉箱平臺模型前碎冰堆積高度隨冰速的變化分布。

圖14　沉箱平臺前碎冰堆積隨冰速的變化情況

4結(jié)論

(1) 流冰經(jīng)過任一平臺后產(chǎn)生破碎，繼續(xù)漂移在經(jīng)過后續(xù)接觸的平臺時產(chǎn)生的堆積規(guī)模均有大幅的減小。

(2) 在三座平臺中，流水在SLPW平臺沉箱上的堆積現(xiàn)象最為嚴重。

(3) 碎冰堆積的規(guī)模隨冰速呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的態(tài)勢。

參考文獻

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收稿日期：2015-03-27

作者簡介：張偉(1982-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0081-08

中圖分類號:P75

文獻標識碼：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