海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议_张金平

收稿日期:2006 01 26作者简介:张金平(1976 ),男,河北石家庄人,1998年毕业于西南石油学院机械制造与设备管理专业,主要从事海洋石油工程项目管理工作。

文章编号:1001 3482(2006)03 0010 05海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议张金平1,段艳丽2,刘学虎3(1.海洋石油工程股份有限公司,天津塘沽300452;2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061;3.兰州石油机械研究所,甘肃兰州730050)摘要:文章综述了近年来海洋平台波浪理论及波浪载荷计算方法的研究与发展概况,包括不同海域波浪载荷的计算理论,以及不同类型、不同尺度海洋平台的波浪载荷的计算方法及其应用,并对各种不同波浪理论的适用范围及其优缺点进行了分析。

同时对目前应用较广的数值模拟技术在海洋平台方面的应用进行了分析,列举了相关应用实例,并对其发展前景进行了展望,提出了相关研究建议。

关键词:海洋平台;波浪载荷;计算方法;应用;数值模拟中图分类号:T E951.01 文献标识码:AThe analysis and proposal of computation methods of wave loads acting on offshore platformZH ANG Jin pin 1,DU AN Yan li 2,LIU Xue hu 3(1.China Of f shore Oil E ngineer ing Co.L td ,T angg u 300452,China;2.College o f Petro leum Eng ineer ing ,China Univer sity of P etr oleum (H uadong),D ongy ing 257061,China;3.L anz hou Petr oleum M echanical Resear ch I nstitute ,L anz hou 730050,China)Abstract:General status o f development on w ave theory and w ave loads on offsho re platform in r esent year s is sum marized in this paper,including com putation theory of w ave loads in different sea area,com putation methods and applicationso f wave loads acting on offshore platform w ith differ ent type and dimen sion,at the same tim e num er ical simulatio n techno logy being applied widely on offshore platform is analyzed in 这和文献[4]的结论完全一致。

当 =180 时,由式(5)可知A X =0,A Y =0,即F X =0,F Y =0,即,筛箱所受的激振力为零,质心是一个固定不动的定点。

此时,X M ,筛箱不能满足平动的条件。

在这种情况下,筛箱的运动就只是仰俯振动。

3 结论1) 上偏心块超前下偏心块的角度 越大,振动筛椭圆运动轨迹长短轴均越短。

所以应根据振动筛电机安装位置适当选择 ,以免 过大而影响振动筛的工作性能。

2) 2台电机轴线之间的夹角 只影响振动筛椭圆运动轨迹的短半轴,而不影响长半轴。

3) 振动电机在筛箱上的安装位置X M ,既要受上偏心块超前下偏心块的角度 的影响,又要受2台电机轴线夹角的影响,设计时在保证一定椭圆度的前提下,可以通过适当调整 、 ,以实现电机的正确安装,为振动筛的设计和使用均带来了较大的方便。

参考文献:[1] No rr is,T imothy L.P atterson.V ibrat ory scr een separ ator [P].U S5265730.[2] M ike M or genthale,G E Espey ,Bob L ine.Balancedelliptical mot ion im pr oves shale shaker per formance [R].A A DE Shaker co nfer ence,1998.[3] 龚伟安.双激振电动机均衡椭圆运动振动筛动力学分析[J].石油机械.2002,30(5):1 3.[4] 侯勇俊,史常贵,卫尊义,等.等质径积双电机自同步椭圆振动筛动力学研究[J].天然气工业,2005,25(5) [5] 牟长青,柴占文,朱均波,等.自同步平动椭圆振动筛的理论研究[J].石油机械.2004,32(4):11 12.2006年第35卷 石油矿场机械第3期第10页 OIL FIELD EQUIPMENT 2006,35(3):10~14present time,corr elative application ex amples are enumerated.Foregr ound is ex pected in this paper.Co r r elative proposal is g iven and corresponding r eference information is pr ovided as w ell.Key words:offshore platform;w ave loads;co mputation methods;application;num erical sim ulation1 工程上应用的波浪理论[1~2]海洋平台在建造和使用期间承受的环境载荷是由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的载荷。

波浪载荷是平台强度分析、结构设计与安全评估中一个非常重要的载荷之一,正确计算波浪载荷对结构安全性具有重要意义。

由于海洋平台工作水深不同,结构受到的波浪载荷也不同,应选用不同的波浪理论进行计算。

波浪理论的种类繁多,但在工程实际应用中,适用于不同水深范围的波浪理论有微幅波理论、斯托克斯五阶波理论、椭圆余弦波理论、孤立波理论。

在工程计算中应根据具体情况选择合适的波浪理论。

此外,还要考虑海洋工程结构尺寸,对于小结构物,波浪的拖曳力和惯性力是主要分量,波浪载荷用Mo rison公式计算;对于大结构物,波浪的惯性力和绕射力是主要分量,波浪载荷用线性绕射理论计算。

本文分别从海洋平台的应用海域、不同类型的平台以及数值模拟3个方面综述了近年来的研究概况,并提出了今后研究方向的建议。

2 浅海海域平台的波浪载荷计算在浅海区域波浪易破碎,波浪力具有强非线性特性,一般要应用非线性波浪理论,由于各种波浪理论都是在一定理论简化的基础上发展而来的,具有一定的适用范围。

而且滩海海底由泥砂沉积而成,在波浪作用下,泥砂会悬浮在海水中,这种含泥砂的波浪对结构物的作用显然比无泥砂的波浪力大得多,一般的计算方法已不适用。

马汝建等人[3]应用椭圆余弦波理论、双曲波理论及孤立波理论计算了作用于直立桩柱上的波浪力,并在建波水槽中进行了波浪力及波压力实验研究,应用实验结果对传统的计算方法进行了修正,提出了静水面以上波压力的修正公式P c=P t[1-a(e-bz-1)],式中,P t为理论波压力;a=1/(e-b max-1);b=15 (m-1),为常数;Z=s-d为静水面以上的高度。

2.1 自升式平台自升式平台主要用于浅海作业,目前对作用于自升式平台的波浪流载荷的研究可以分为2大类。

a) 基于规则波的波浪载荷研究 基于规则波的方法又称为设计波法,它是根据平台结构工作海域的特点(水深、波高等),人为地选用一个波浪理论描述波浪的响应特征(水质点的速度、加速度等),然后利用一般的流体动力学方法计算波浪力(如Mo r iso n公式)[4]。

这种方法计算简便,理论发展相对成熟,因此现仍经常为海洋工程设计采用,也是我国海上移动平台入级与建造规范中所规定的波浪力计算方法之一。

但是由于它根据理想化的规则波计算波浪力,不能完全反映实际海况对平台的作用力。

b) 基于不规则波的波浪载荷研究 采用不规则波计算波浪载荷的方法是建立在统计特征上的,这种方法没有确定的波浪公式,而是把实际海面上的不规则波浪认为是由许多具有随机相位的简单波叠加而成,这种方法也已经成为海上平台规范中规定的方法之一。

许多文献使用这种波浪流载荷模型进行结构动力响应的时域模拟,取得了良好的效果[5~6]。

这种模型的缺点是计算量过大,不利于在工程中推广应用。

2.2 浅海沉垫式海洋平台浅海沉垫式海洋平台是浅海域平台的一种主要形式。

对这类平台的波浪载荷确定,工程上普遍的做法是采用线性的波浪理论来估算沉垫的受力,用M orrison公式估算平台脚柱的受力,二者之和即被认为是沉垫式海洋平台的总的波浪载荷;在沉垫受力的估算中,认为沉垫贴近海底,对波浪场的影响可以忽略,从而不考虑沉垫产生的绕射影响。

这一近似在工程应用上无疑是方便的,但是,由于沉垫式海洋平台大都用于浅海域,与水深相比,沉垫的高度未必是小量,波浪的绕射影响可以是重要的;同样,在浅海域中,波浪的特性与深水波有实质性的差别,而且波高或沉垫高度与水深相比也未必是个小量,浅水影响和非线性影响也将是可观的。

因此,目前通用的工程估算方法的近似程度仍然不清楚,缺乏足够的科学依据来确定以这种方法估计得到的波浪载荷的误差范围,这样也就难以判定这一方法的适用范围,亦即在何种参数范围内波高的非线性影响和浅水影响可以忽略。

目前,研究人员普遍认为,即使浅水影响可以忽略,基于势流假定的线性或非线性波浪绕射理论也只是在物体总体受力的估算上是成11张金平,等:海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议功的,要确定物体上的压力分布未必现实,这中间有粘性边界层的影响、流动分离和旋涡泄出的影响等[7]。

姚美旺等人[8]通过对海洋平台沉垫的波浪载荷试验研究分析,对规则波中平台沉垫总体波浪载荷和局部水动压力分布的情况进行了研究,定性地考察了非线性影响、浅水影响的重要性。

3 深海海域平台的波浪载荷计算3.1 张力腿平台随着人类石油勘探逐渐向深水领域扩展,涌现出一些新型的适应深海海洋环境的平台,其中张力腿平台是一种典型的深水海洋石油平台,以其半固定半顺应的运动特征在深水海洋石油工程中广为应用。

在计算张力腿平台波浪载荷时可以将张力腿平台本体简化为大尺寸截头直立浮式柱群。

张力腿平台本体的波浪载荷主要集中于这些浮式柱上。