超深水鉆井船波浪載荷計(jì)算分析

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(中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 大連 116600)

由于鉆井作業(yè)的需要，鉆井船在船舯附近會(huì)布置垂向貫穿船體，與海水相連通的月池結(jié)構(gòu)，而該處往往是鉆井船總縱彎矩最大的位置。同時(shí)，月池開口打斷了船體縱向構(gòu)件的連續(xù)性，對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成了不利影響[1]。此外，月池角隅點(diǎn)具有較大的應(yīng)力集中系數(shù)，是疲勞評(píng)估重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。因此，波浪載荷預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度對(duì)鉆井船結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估非常重要[2-3]。波浪載荷的預(yù)報(bào)理論和計(jì)算手段已經(jīng)比較成熟。其中三維線性理論是工程中應(yīng)用最為廣泛的方法[4]。

考慮以一艘無(wú)限航區(qū)的超深水鉆井船為研究對(duì)象，應(yīng)用WASIM軟件對(duì)目標(biāo)船的波浪彎矩進(jìn)行直接計(jì)算。將波浪彎矩直接計(jì)算值與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行比較，以論證對(duì)于鉆井船這類工程型船舶進(jìn)行波浪載荷直接計(jì)算的必要性。

1 鉆井船模型概述

目標(biāo)鉆井船為一艘超深水鉆井船，作業(yè)水深可達(dá)3 658 m，最大鉆井深度為15 240 m，可變載荷為35 000 t。其主尺度見表1，月池形狀見圖1。

鉆井船滿載與壓載計(jì)算工況信息見表2。

1.1 船體網(wǎng)格模型

鉆井船船體元面網(wǎng)格為正交性很好的四邊形網(wǎng)格，半船體濕表面網(wǎng)格數(shù)為2 088個(gè)，網(wǎng)格精度滿足計(jì)算要求。見圖 2。

表1目標(biāo)船主尺度m

型長(zhǎng)233.0 型寬 43.4 型深 22.4 月池長(zhǎng)度 34.3 月池寬度 11.2 設(shè)計(jì)吃水 9.5

m

波浪載荷計(jì)算所需的質(zhì)量模型以沿船長(zhǎng)分布質(zhì)量點(diǎn)的形式輸入，質(zhì)量模型的重心縱向位置與面元模型的浮心縱向位置相同，質(zhì)量模型的重量與面元模型的排水量一致，質(zhì)量模型的橫搖、縱搖和首搖慣性半徑應(yīng)與相應(yīng)的裝載工況一致。

鉆井船波浪載荷計(jì)算的剖面位置分布見表3，全船共有20個(gè)剖面。

表3 波浪載荷計(jì)算剖面

1.2 計(jì)算浪向與周期

浪向和波浪周期參數(shù)見表4。浪向定義：從船尾到船首為0度浪向；從右舷到左舷為90度浪向。波浪周期的計(jì)算范圍應(yīng)能準(zhǔn)確代表計(jì)算海域波浪能的分布范圍和船體的響應(yīng)特性。

表4 波浪方向與周期

1.3 月池的影響

進(jìn)行鉆井船波浪載荷計(jì)算時(shí)，在月池活塞和晃蕩共振頻率點(diǎn)處，月池內(nèi)流體的共振運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在月池結(jié)構(gòu)處船體橫剖面上波浪載荷RAO出現(xiàn)異常峰值，造成計(jì)算結(jié)果失真。對(duì)于月池的處理，相關(guān)文獻(xiàn)[4]和船級(jí)社推薦作法是，全船濕表面面元模型中不建立月池結(jié)構(gòu)。

1.4 粘性橫搖阻尼

粘性橫搖阻尼對(duì)船體的橫搖運(yùn)動(dòng)有重要影響，其與船體的舭部形狀、舭龍骨尺寸，以及橫搖運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)。不同回復(fù)周期的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)的黏性橫搖阻尼是不同的，應(yīng)用隨機(jī)線性化方法對(duì)粘性橫搖阻尼進(jìn)行線性化[6]。

1.5 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范[7]的要求，無(wú)限航區(qū)鉆井船在航行工況下，波浪彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的海浪條件為北大西洋波浪散布圖，海浪譜為PM譜，應(yīng)用威布爾分布進(jìn)行長(zhǎng)期擬合，海浪譜方向函數(shù)為二次余弦函數(shù)，其他參數(shù)見表5。

1.6 短期預(yù)報(bào)

根據(jù)北大西洋波浪散布圖，20年 一遇的海況查閱美國(guó)船級(jí)社指南[8]，目標(biāo)海況的有義波高為15.1 m，對(duì)應(yīng)的平均上跨零周期在11～12 s附近。在這樣的極端海況下，為了避免鉆井船發(fā)生過大的橫搖運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致船體傾覆，在DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)的幫助下，目標(biāo)船的艏向角會(huì)保持在±30°的范圍內(nèi)。因此，目標(biāo)船波浪彎矩短期極值計(jì)算的浪向角范圍為150°～180°。其他海況參數(shù)見表6。

表5 長(zhǎng)期波浪載荷預(yù)報(bào)的波浪環(huán)境條件

在有義波高為15.1 m的惡劣海況下，船體搖蕩運(yùn)動(dòng)十分劇烈，而且還會(huì)遭受嚴(yán)重的波浪增阻，這些因素都會(huì)導(dǎo)致鉆井船失速，故計(jì)算分析時(shí)，只考慮零航速情況。

表6 航行工況海況條件

2 結(jié)果與討論

2.1 短期極值與長(zhǎng)期極值

目標(biāo)船壓載狀態(tài)不同平均上跨零周期海況時(shí)，波浪彎矩短期預(yù)報(bào)極值(即，短期預(yù)報(bào)最有可能的最大值)沿船長(zhǎng)的分布見圖3。滿載工況下，不同周期短期海況下的波浪彎矩極值則見圖 4。由圖3、4可知，不論是壓載狀態(tài)還是滿載狀態(tài)，目標(biāo)船波浪彎矩的最大短期極值都發(fā)生在平均上跨零周期為TZ=10.5 s的海況，而且隨著周期的增加，船中處波浪彎矩極值逐漸變小。

在平均上跨周期為10.5 s的海況以及3種不同浪向下，鉆井船在壓載和滿載狀態(tài)波浪彎矩極值分布信息分別見圖5、6。如圖所示，180°浪向下，波浪彎矩短期極值最大；而且150°浪向下，波浪彎矩短期極值最小。故以平均上跨零周期Tz=10.5 s，180°浪向下的海況作為目標(biāo)船的設(shè)計(jì)海況，并以此設(shè)計(jì)海況下波浪彎矩的短期極值與長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)極值進(jìn)行對(duì)比分析。

在壓載和滿載2種狀態(tài)下，波浪彎矩長(zhǎng)期與短期預(yù)報(bào)極值的對(duì)比情況分別見圖7、8。選取沿船長(zhǎng)分布最大的波浪彎矩計(jì)算值作為波浪彎矩的設(shè)計(jì)值。由此可知，不論是壓載狀態(tài)還是滿載狀態(tài)，波浪彎矩長(zhǎng)期設(shè)計(jì)值與波浪彎矩的短期設(shè)計(jì)值都出現(xiàn)在距船艉108 m處的剖面上。壓載狀態(tài)，波浪彎矩短期設(shè)計(jì)值為4.52×109N·m，波浪彎矩長(zhǎng)期設(shè)計(jì)值則為4.27×109N·m，相對(duì)誤差為5.85%；滿載狀態(tài)下，波浪彎矩短期設(shè)計(jì)值增加到4.90×109N·m，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)期設(shè)計(jì)值為4.65×109N·m，相對(duì)誤差為5.4%。相同概率水平下，波浪彎矩的長(zhǎng)期設(shè)計(jì)值小于其短期設(shè)計(jì)值，但是相對(duì)誤差不超過6%。

除了波浪彎矩短期設(shè)計(jì)值大于長(zhǎng)期設(shè)計(jì)值外，還有一個(gè)現(xiàn)象值得注意：兩種裝載狀態(tài)下，目標(biāo)船前半部分船體，波浪彎矩的短期極值明顯高于長(zhǎng)期極值。造成兩者之間出現(xiàn)明顯差距的原因是兩種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)浪向角處理方式的不同：目標(biāo)船進(jìn)行波浪載荷長(zhǎng)期預(yù)報(bào)時(shí)，計(jì)算了0～180°全部浪向下波浪彎矩的傳遞函數(shù)，并且以等概率水平考慮了全部浪向?qū)Σɡ藦澗氐挠绊?；而開展波浪載荷短期預(yù)報(bào)時(shí)，只進(jìn)行了180°頂浪狀態(tài)下波浪載荷的計(jì)算，沒有考慮其他浪向?qū)Σɡ藦澗赜?jì)算的影響。在頂浪狀態(tài)下，船體前半部分的縱搖運(yùn)動(dòng)會(huì)明顯大于其他浪向下的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而具有較大的垂向加速度；而且頂浪狀態(tài)下波浪彎矩也大于其它浪向下的值。所以，同概率水平下波浪彎矩的短期設(shè)計(jì)值會(huì)大于長(zhǎng)期設(shè)計(jì)值，以及目標(biāo)船前半部分的波浪彎矩短期極值會(huì)明顯大于長(zhǎng)期極值。

2.2 波浪載荷長(zhǎng)期計(jì)算值及與規(guī)范值的比較

參照挪威船級(jí)社規(guī)范[9]給出的鉆井船垂向波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算公式。

中垂波浪彎矩為

Mwo,s=-0.11CwL2B(Cb+0.7)

中拱波浪彎矩為

Mwo,h=0.19CwL2BCb

式中：Cw為波浪系數(shù)，對(duì)于目標(biāo)船取值為10.11；L為規(guī)范船長(zhǎng)，226.017 m；B為型寬；Cb為相應(yīng)吃水下的方形系數(shù)，但是不能小于0.6。

根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范[10]要求，在極限海況下，由線性理論計(jì)算得到的波浪彎矩應(yīng)該進(jìn)行非線性修正，修正系數(shù)見表7。

表7 波浪彎矩非線性修正系數(shù)

考慮非線性修正后，滿載狀態(tài)下波浪彎矩的長(zhǎng)期極值與規(guī)范值的對(duì)比見表8。

表8 滿載出港波浪彎矩直接值與規(guī)范值對(duì)比

壓載到港波浪彎矩直接值與規(guī)范值對(duì)比見表9。如表9所示，壓載狀態(tài)波浪彎矩的長(zhǎng)期計(jì)算值與規(guī)范計(jì)算值的對(duì)比關(guān)系與滿載時(shí)的情況相同，即波浪彎矩長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值大于規(guī)范值。

表9 壓載到港波浪彎矩直接值與規(guī)范值對(duì)比

綜上所述，航行工況下，目標(biāo)鉆井船波浪彎矩的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)極值遠(yuǎn)大于規(guī)范計(jì)算值，兩者之間的最大相對(duì)誤差為34.61%，而最小相對(duì)誤差為10.43%。由此可見，規(guī)范計(jì)算值不能作為鉆井船的波浪載荷的設(shè)計(jì)值，對(duì)于此類工程型船舶必須進(jìn)行波浪載荷直接計(jì)算。

3 結(jié)論

1)無(wú)論是采用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)法還是應(yīng)用短期計(jì)算法來確定鉆井船波浪彎矩設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)對(duì)比分析同概率水平下波浪載荷的長(zhǎng)短期預(yù)報(bào)極值，以增加計(jì)算結(jié)果的可靠性。

2)相同概率水平下，目標(biāo)船波浪彎矩短期預(yù)報(bào)極值一般會(huì)大于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值。主要原因在于，兩種方法對(duì)浪向處理方式不同。短期預(yù)報(bào)只考慮導(dǎo)致目標(biāo)船波浪彎矩最惡劣的浪向，即頂浪浪向；而長(zhǎng)期預(yù)報(bào)還會(huì)計(jì)及其他浪向的影響。

3)鉆井船波浪彎矩的規(guī)范計(jì)算值比直接計(jì)算值小20%～30%，規(guī)范計(jì)算值不能作為目標(biāo)船波浪彎矩的設(shè)計(jì)值。如果在前期輸入條件不足的情況下，采用規(guī)范公式計(jì)算值時(shí)，建議乘以1.2～1.3的安全系數(shù)。