海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的運(yùn)動特性

陳海龍， 馮 陳， 任少飛， 王詩平， 孔凡凱

(哈爾濱工程大學(xué) a. 船舶工程學(xué)院; b. 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

海上應(yīng)急撤離系統(tǒng)是海難發(fā)生時(shí)協(xié)助人員從登乘甲板迅速轉(zhuǎn)移到救生艇/筏的救生設(shè)備，主要裝備于各類客滾船和海洋平臺。[1]典型海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)[2]，見圖1。

隨著我國海洋事業(yè)發(fā)展逐步邁向深海，海洋平臺的發(fā)展取得一系列成就，但作為關(guān)鍵配套裝備的海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)一直被國外廠商壟斷。我國雖然已成功研制出用于滾裝船的小尺度海上應(yīng)急撤離系統(tǒng)，但對于大型垂直式海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的研發(fā)尚處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)局限于其功能介紹[3-5]，尚未對海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)在極端工作環(huán)境下的運(yùn)動和受力特性進(jìn)行深入探討。

針對撤離系統(tǒng)的研究，國外學(xué)者多采用試驗(yàn)和數(shù)值分析方法。NOLAN[6]開展坡道式撤離系統(tǒng)的縮比模型試驗(yàn)，對撤離系統(tǒng)在波浪作用下的運(yùn)動特性與力學(xué)特性進(jìn)行分析，得出影響撤離系統(tǒng)運(yùn)動特性的環(huán)境與結(jié)構(gòu)部分參數(shù)。SMITH[7]設(shè)計(jì)風(fēng)浪聯(lián)合作用下坡道式撤離系統(tǒng)試驗(yàn)方法，得出撤離系統(tǒng)對母船姿態(tài)、風(fēng)向和布放位置比較敏感。數(shù)值研究方面：

1) 將撤離滑道簡化為連續(xù)質(zhì)量點(diǎn)見圖2，從而構(gòu)建各質(zhì)量點(diǎn)之間的多體動力學(xué)模型。RAMAN-NAIR等[8]應(yīng)用該方法解決了坡道式撤離系統(tǒng)在風(fēng)浪流作用下運(yùn)動響應(yīng)問題。

2) 借助大型有限元軟件，建立有效的三維數(shù)值計(jì)算模型，研究在復(fù)雜海洋環(huán)境下撤離系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。相比于第一種，有限元方法計(jì)算效率更高，但目前該方法尚無研究成果公開發(fā)表。[9]

圖2 撤離滑道簡化為連續(xù)質(zhì)量點(diǎn)示意[8]

基于有限元軟件ABAQUS/AQUA，分析風(fēng)流耦合下海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的運(yùn)動特性，通過與理論值對比，驗(yàn)證有限元方法的可行性，在此基礎(chǔ)上提出一種極端海況下海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的安全性評估方法。

1 撤離系統(tǒng)三維數(shù)值模型

以國際知名廠商維京公司生產(chǎn)的海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)為研究對象，其安裝在海洋平臺登乘甲板上，安裝高度為28.95 m。釋放時(shí)操作人員通過絞車將救生筏和登乘平臺等水上救生設(shè)備平穩(wěn)下放到海平面，下放過程中撤離滑道依次展開，人員通過撤離滑道轉(zhuǎn)移到登乘平臺，進(jìn)而通過系泊在登乘平臺上的救生筏轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)各部件的參數(shù)[2]見表1。

表1 撤離系統(tǒng)參數(shù)

撤離滑道由芳綸纖維編織成的緊密六邊形網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，主要承受風(fēng)載。不考慮滑道編織網(wǎng)的局部形變，忽略滑道表面纖維網(wǎng)的建模。由于系統(tǒng)受力的過程，將撤離滑道纖維網(wǎng)所受風(fēng)載等效到同一水平面對應(yīng)的配重鋼絲繩和支撐鋼圈上。

采用ABAQUS[9-11]建立海洋平臺應(yīng)急撤離滑道簡化模型見圖3，鋼絲繩和支撐鋼圈的截面直徑均為0.01 m，鋼絲繩總長33.75 m，支撐鋼圈共27個(gè)，鋼圈直徑1.20 m，垂直間距1.25 m，共計(jì)6 120個(gè)B31單元。鋼絲繩和支撐鋼圈的材料屬性為：密度ρt=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比λ=0.3。

在同一海洋環(huán)境下撤離系統(tǒng)的位移幅值與海洋平臺相差很大(見圖4)。[9]在8級風(fēng)作用下，撤離系統(tǒng)位移響應(yīng)幅值為3.91 m，而海洋平臺的位移響應(yīng)不到0.01 m。故忽略海洋平臺進(jìn)行建模，將撤離系統(tǒng)頂端節(jié)點(diǎn)邊界條件設(shè)置為U1=U2=U3=0，將底端所有節(jié)點(diǎn)與底端中心處參考點(diǎn)設(shè)置耦合，底端參考點(diǎn)完全自由。

圖3 海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)有限元模型圖4 風(fēng)作用下海洋平臺與撤離系統(tǒng)位移云圖

2 載荷分布

除重力外，海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)承受的環(huán)境載荷主要有流載荷、風(fēng)載荷和波浪載荷等。從空間分布而言：水面以上的撤離滑道主要承受風(fēng)載荷，登乘平臺展開后浸水部分主要承受波浪和流載荷，撤離人員與水面以上登乘平臺主要承受風(fēng)載荷；水下配重塊則主要承受波浪載荷和流載荷。

2.1 系統(tǒng)重力

重力載荷包括滑道和配重塊兩部分，滑道的網(wǎng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量等效分配到支撐鋼圈和承重鋼絲上；配重塊同時(shí)承受重力和浮力載荷，將二者等效為集中力施加在滑道末端，方向豎直向下。根據(jù)文獻(xiàn)[2]得到系統(tǒng)各部分質(zhì)量參數(shù)如下：配重塊mt=1 539 kg，登乘平臺和撤離人員mlp=1 230 kg，單位長度滑道質(zhì)量mc=6.8 kg/m。

2.2 流載荷

登乘平臺水下部分所承受的流載荷[12]為

(1)

式(1)中：ρs為海水密度；Ac為作用面積；Cc為結(jié)構(gòu)拖曳系數(shù)；Vc為水面表層流速。根據(jù)文獻(xiàn)[2]ρs取1 025 kg/m3，Ac取0.6 m2，Cc取1.5，Vc取1 m/s。

2.3 風(fēng)載荷

對于極端風(fēng)載情況，其1 h內(nèi)風(fēng)速[12]為

U={1+[0.057 3(1+0.15U0)1/2]×ln(z/z0)}[1-0.41Iuln(t/t0)]U0

(2)

式(2)中：U0為距海平面參考高度z0處；t0時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速；z為距離海平面高度。根據(jù)規(guī)范z0取10 m，t0取3 600 s。湍流強(qiáng)度因子Iu[12]為

Iu=0.06[1+0.043U0](z/z0)-0.22

(3)

登乘平臺和撤離人員所受風(fēng)載荷[12]為

(4)

式(4)中：ρa(bǔ)為空氣密度；Clp為登乘平臺和撤離人員的拖曳系數(shù)；vlp為登乘平臺高度處的風(fēng)速；Alp為登乘平臺和撤離人員的暴露面積。根據(jù)文獻(xiàn)[2]ρa(bǔ)取1.29 kg/m3，Clp取1.2，受風(fēng)面積Alp取10.68 m2，vlp取高度為0.5 m處風(fēng)速。

滑道所受總的風(fēng)載荷[2]為

(5)

式(5)中：zm為撤離箱的安裝高度；Cch為滑道拖曳系數(shù)；D為結(jié)構(gòu)等效直徑；ts為平均滑道響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[2]Cch取0.282，ts取3 600 s。

作用于登乘平臺的等效風(fēng)力[2]為

(6)

綜合以上載荷分布，根據(jù)受力平衡原則，建立平衡方程[2]為

(7)

式(7)中：l為滑道受力伸長后的長度。解此方程可得撤離滑道在風(fēng)流耦合作用下的穩(wěn)定傾斜角α，由傾斜角α可算得登乘平臺的水平位移。

3 結(jié)果對比與分析

由于海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的對稱性，風(fēng)向僅取x正方向，海流與風(fēng)向一致。設(shè)置2個(gè)分析步進(jìn)行數(shù)值計(jì)算：第一個(gè)分析步為靜態(tài)分析，施加重力和流載荷；第二個(gè)分析步為隱式動態(tài)分析，施加風(fēng)載荷。采用數(shù)值方法得到不同風(fēng)速條件下撤離系統(tǒng)風(fēng)流耦合作用位移云圖見圖5。[9]

由式(1)～式(7)受力平衡方程得在不同風(fēng)速條件下應(yīng)急撤離系統(tǒng)水平位移理論值，并將其與本文數(shù)值方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，其中數(shù)值解取為底端參考點(diǎn)處位移，計(jì)算結(jié)果見表2。

a) U0=5 m/sb) U0=10 m/sc) U0=15 m/s

d) U0=20 m/se) U0=25 m/sf) U0=30 m/s

g) U0=35 m/sh) U0=40 m/s

圖5 海洋平臺應(yīng)急撤離滑道位移云圖

表2 撤離系統(tǒng)位移數(shù)值解與理論值對比

撤離系統(tǒng)風(fēng)速-位移理論值曲線與本文的數(shù)值解見圖6。由曲線可知：采用ABAQUS/AQUA軟件模擬得到的海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)響應(yīng)與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證數(shù)值方法的有效性；同時(shí)，海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)最大位移隨風(fēng)速的增加而增大，且與風(fēng)速呈非線性關(guān)系。[9]

圖6 撤離系統(tǒng)風(fēng)流耦合作用位移對比圖

4 安全性評估

海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)可能應(yīng)用于極端海洋環(huán)境下，在使用過程中滑道末端不允許與登乘平臺產(chǎn)生脫離，否則人員到達(dá)滑道末端時(shí)登乘平臺與滑道出口存在垂向間隙，人員將處于懸空狀態(tài)，對人員安全造成極大威脅?？紤]風(fēng)浪聯(lián)合作用時(shí)海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)安全性校核辦法，文獻(xiàn)[2]給出安全性校核條件為

l1=1.15zm

(8)

(9)

上述校核辦法包括兩部分，在原安裝高度的基礎(chǔ)上增加15%的裕量如式(8)所示，考慮風(fēng)浪聯(lián)合作用時(shí)，由式(9)可得出其校核示意見圖7。此方法考核的安全臨界點(diǎn)是滑道末端即登乘平臺恰好處于波峰位置時(shí)，此時(shí)滑道長度需同時(shí)滿足l1≤L和l2≤L，其中L為滑道允許拉伸最大長度。

考慮風(fēng)浪耦合作用下系統(tǒng)最危險(xiǎn)的時(shí)刻為登乘平臺隨波浪運(yùn)動恰好處于波谷位置時(shí)，此時(shí)若要達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)所需滑道長度最長(見圖8)[9]，因此風(fēng)、浪、流等載荷產(chǎn)生的水平位移量應(yīng)滿足[9]

(10)

根據(jù)不同海況條件下的系統(tǒng)響應(yīng)，得到安全性校核考核表(見表3)。

圖7 文獻(xiàn)[2]安全校核標(biāo)準(zhǔn) 圖8 本文安全校核標(biāo)準(zhǔn)

表3 安全性校核對比表

根據(jù)風(fēng)力等級表，8級風(fēng)時(shí)風(fēng)速為17.2 m/s至20.7 m/s，自由海面浪高5.5～7.5 m，取最大值計(jì)算所需滑道長度為33.42 m，撤離系統(tǒng)可安全使用。9級風(fēng)時(shí)，最大波高為10 m，大于9.6 m，故撤離系統(tǒng)在使用過程中存在一定的危險(xiǎn)性。

綜上所述，文獻(xiàn)[2]的評估方法顯示在風(fēng)速大于28 m/s時(shí)，系統(tǒng)仍具備一定的安全性。而按照本文提出的校核標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速大于24 m/s后，系統(tǒng)在使用過程中便喪失一定的安全性，此考核辦法偏于保守，對救生設(shè)備的安全性提出更高要求，這也對以后的國產(chǎn)海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語

基于ABAQUS/AQUA建立海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)在風(fēng)流耦合載荷作用下的運(yùn)動響應(yīng)的三維數(shù)值模型，通過與理論值進(jìn)行對比，驗(yàn)證本文數(shù)值方法的有效性，為后續(xù)研究風(fēng)、浪、流耦合等復(fù)雜海洋環(huán)境中撤離系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)問題奠定數(shù)值基礎(chǔ)。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)最大位移隨風(fēng)速的增加而增大，且與風(fēng)速呈非線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出一種更為嚴(yán)格的極端海況下海洋平臺應(yīng)急撤離系統(tǒng)的安全性評估方法。