半潜式平台气隙分析技术指南

中国船级社半潜式平台气隙分析技术指南

1. 总则

• 本指南为半潜式平台（柱稳式平台）气隙分析提供方法，适用于其他结构形式的平台。
• 气隙分析需符合CCS《海上移动平台入级规范》和《海上浮动设施入级规范》的相关规定。
• 气隙是平台设计中的关键参数，过小可能导致结构损坏，过大则降低平台稳性。
• 气隙合理取值可通过数值计算（频域或时域分析方法）、模型试验或母型平台经验确定。

2. 气隙分析方法

2.1 一般规定

• 气隙计算公式：瞬时气隙 = 静气隙 - 相对波面升高
• 平台垂向运动：垂向运动 = 平均运动 + 低频运动 + 波频运动
• 数值方法需考虑环境条件、装载工况、平台运动和波面升高等因素。
• 推进器作用力可能导致实际气隙小于数值分析值，可采用考虑推进力的静态纵倾状态进行计算。

2.2 频域气隙分析方法

• 基于三维绕射-辐射理论，计算平台运动及流场场点的波面升高。
• 相对波面升高极值通过随机统计方法确定。
• 需考虑波面升高和平台运动的非线性效应，可采用不对称系数进行修正。
• 频域气隙分析流程：
  1. 确定输入参数（平台装载工况、重量重心、惯性矩、粘性阻尼以及环境条件等）。
  2. 定义目标气隙点（平台中心点、立柱区域周围位置以及上壳体底部外缘位置等）。
  3. 建立水动力模型，进行频域水动力分析，获得平台运动传递函数以及波面升高传递函数。
  4. 根据平台运动传递函数，计算目标气隙点的垂向运动。
  5. 考虑不对称系数的影响，计算波频相对波面升高传递函数。
  6. 根据环境条件，并考虑平均响应和低频响应，采用统计方法分析气隙计算点的相对波面升高极值。
  7. 气隙极值为静气隙减去相对波面升高极值。

2.3 时域气隙分析方法

• 可在时域内求解平台运动中的非线性效应，提高气隙分析的准确性。
• 可基于三维绕射-辐射理论求解波面升高，然后采用波浪不对称系数进行修正。
• 当非线性效应显著时，应使用时域中非线性绕射直接计算或计算流体动力学（CFD）分析非线性效应，并通过模型试验进行验证。

2.4 模型试验

• 模型试验是评估半潜式平台气隙最直接的方法，但不适用于平台初期设计阶段。
• 模型试验无法得到所有设计工况的气隙结果，需要结合数值分析对平台气隙结果进行全面分析和校准。
• 模型试验数据可用于校准和验证数值分析结果。

3. 环境条件

3.1 一般规定

• 气隙分析应明确所在海域的环境条件，环境条件至少包括风、浪、流和水深等参数。
• 半潜式移动平台和半潜式浮动设施在不同操作模式下的重现期应满足CCS相关规范的要求。

3.2 波浪

• 短期波浪条件可通过线性随机波浪模型（波浪谱）进行描述。
• 常见的波浪谱有Pierson-Moskowitz单参数谱（P-M谱）和JONSWAP波浪谱。
• 真实海况下的波面是三维且方向散布的短峰波，可通过引入方向散布函数来考虑散布特性。

3.3 风和流

• 气隙计算时通常只考虑定常风，必要时，还需要考虑风波动分量引起的低频力。
• 设计风速取为平均海平面以上10m处时距为1分钟的平均风速。
• 除定常风力外，还考虑低频风力时，定常风速一般按1小时平均风速计算，其波动风速按合适的经验阵风谱考虑。
• 流速应取平台作业海域范围内的设计流速。

4. 波面升高

4.1 一般规定

• 实际波面升高包含入射波、绕射波、辐射波以及立柱附近波浪爬升等其他非线性引起的波面升高。
• 由于入射波的不对称性以及非线性绕射的影响显著，在计算波面升高时需要计入非线性波面升高。
• 可采用一种简化的方法进行非线性波面升高计算，即通过引入不对称系数对线性波面升高进行修正。

4.2 线性波面升高

• 线性波面升高包括未受干扰的入射波、绕射波和辐射波引起的波面升高。
• 对于给定点的线性波面升高可以表达为：线性波面升高 = 入射波面升高 + 绕射波面升高 + 辐射波面升高

4.3 不对称系数

• 鉴于二阶势流分析方法在计算波面升高工程验证与应用经验仍有限，一般推荐采用不对称系数考虑波面升高的非线性效应。
• 不对称系数主要考虑入射波的不对称性和非线性绕射效应。
• 不对称系数主要描述流场的整体非线性升高，不适用于立柱近壁处波浪爬升、射流等强非线性局部现象。
• 不对称系数随水平位置、入射浪向变化，取值应根据模型试验或经验证的高阶数值方法进行标定。
• 对于常规的半潜式平台设计，当无模型试验或无经验证的高阶数值分析结果时，不对称系数取值可按照本指南推荐值选取。
• 远柱区不对称系数公式：α = 1 + 0.5 * X * exp(-PA / max90Hη)
• 近柱区不对称系数：α = 远柱区不对称系数 + 修正项

4.4 波面升高二阶传递函数

• 二阶波面升高是指由波浪非线性引起的、相对于一阶线性波面升高的附加波面升高。
• 二阶波面升高可用二阶传递函数在频域内表达。
• 二阶波面升高通常可分为和频分量和差频分量。
• 二阶波面升高表达了不同频率的耦合关系，可用于描述极端波峰增强与偏态形成机理、低频自由表面缓变分量的形成机理、多立柱/多体系统中频率耦合导致的局部放大趋势。
• 二阶波面升高传递函数理论上相较于线性方法更为完备，但当波面升高偏离平滑的斯托克斯型非线性特征，或者存在波浪破碎、强涡量与黏性耗散、局部浅水效应、立柱近壁爬升等强非线性现象时，二阶传递函数不适用。

5. 频域气隙分析方法

5.1 一般规定

• 半潜式平台频域气隙分析应包含波频响应、平均响应和低频响应。
• 宜采用波浪绕射-辐射和莫里森混合模型进行半潜式平台运动响应分析，以计及立柱及其他小尺度构件的粘性阻尼。
• 频域气隙分析方法主要是采用短期预报的方法。
• 对波高小于最大波高，但可能对气隙有更大的影响的波浪亦应进行考虑。

5.2 波频响应

• 水动力分析模型建立原则：
  • 离散的面元模型的静水力特性和质量特性应与平台实际装载状态一致。
  • 应尽可能避免三角形网格，四边形网格的长宽比不应大于3。
  • 网格的最长边应小于所分析最小波长的1/7。
  • 几何形状突变区域应采用精细网格模拟。
• 速度势：速度势 = 入射势 + 绕射势 + 辐射势
• 粘性阻尼：建议采用线性化处理的莫里森模型考虑粘性载荷（非线性拖曳力）对半潜式平台运动的影响。
• 波频运动响应：波频相对波面升高 = (线性波面升高 - 垂向运动) * (1 + 不对称系数)
• 短期极值预报：
  • 短期海况下，波频相对波面升高是瞬时值呈正态分布、峰值（或幅值）呈瑞利分布的窄带谱随机过程。
  • 根据波频相对波面升高和波能谱密度，采用谱分析的方法计算不规则波中的响应谱。
  • 短期海况持续时间内的峰值数量和波频相对波面升高峰值的累积分布函数，可推导出波频相对波面升高极值。

5.3 低频响应

• 低频运动响应可通过频域简化方法计算，即在设计环境条件下计算波浪和风载荷诱导的低频运动谱矩，结合运动传递函数获取低频运动极值。
• 二阶波浪载荷：可采用远场法、近场法和中场法求解。
• 低频波浪诱导运动：低频波浪诱导横摇或纵摇运动的方差 = 2 * (M_iS_ω-) / (i^2 * A_i^2)
• 低频风诱导运动：风诱导横摇/纵摇运动的方差 = aρsDCwU^2 * aZ^2
• 低频运动极值：假设低频运动极值服从威布尔分布，则低频横摇/纵摇的最大值取最有可能极大值。
• 低频垂向运动响应的极值：低频垂向运动响应的极值 = sqrt(LF_wavez^2 + LF_windz^2)
• 低频相对波面升高：低频相对波面升高LFΨ = LF_wavez - LF_windz

5.4 平均响应

• 在平均风载荷、平均波浪载荷及流载荷的共同作用下，平台的平均倾角不为零。
• 一般情况下，可通过压载操作将平均倾角调平至零（对应平均吃水状态）；当不能保证压载操作的准确性时，宜取1°倾角计算平均响应，以覆盖其不确定性。

5.5 频域气隙极值预报

• 将平均、波频和低频运动组合，假设低频和波频部分不相关。
• 总的相对波面升高Ψ = 平均波面升高 + 波频相对波面升高 + 低频相对波面升高
• 对于某些平台，波频和低频部分具有相关性，可通过公式表达波频和低频相对波面升高之间的相关性。

6. 时域气隙分析方法

6.1 一般规定

• 时域气隙分析可以更为准确的模拟波面升高和平台运动的耦合，以及平台运动的非线性效应。
• 本节时域分析基于以下假设：
  • 波频运动近似线性，波频运动可以在时域与平均和低频运动一起计算，或在频域中与波面升高一起采用绕射-辐射分析计算。
  • 粘性效应以及系泊和立管系统可以在频域分析中通过线性化近似考虑。
  • 绕射和辐射的波面升高基于频域中的线性绕射-辐射理论或二阶绕射理论。
• 当非线性效应显著时，假设不适用，应使用时域中非线性绕射直接计算或计算流体动力学（CFD）分析非线性效应，并通过模型试验进行验证。

6.2 时域响应

• 随机波时历响应：随机波的波面升高可表达为：nη = Σ[nλ * sin(nωt + nε)]
• 时域运动方程：M * (ẍ + 2ωẋ) + A(ẍ + ω^2x) + Bẋ + Kx = F(ωt) + F(ωt) + moorFt + windFt + currentFt
• 垂向运动时历：
  • 平台垂向运动宜采用时域方法或频时域混合方法分析。
  • 频时域混合方法：
    1. 在频域内计算垂向运动的波频响应。
    2. 将垂向运动的波频响应转换为时历曲线。
    3. 在时域内计算平均和低频运动响应时历。
    4. 将波频垂向运动的时历与低频垂向运动时历相叠加，得到总的垂向运动时历。
• 波面升高时历：
  • 波面升高时历通过将频域内的线性波面升高转换到时域，并乘以不对称系数；或者通过在频域内求得线性波面升高以及二阶传递函数（差频与和频），然后基于随机波生成入射波时历，得到一阶波面升高时历和二阶波面升高时历，总的波面升高时历为一阶和二阶的总和。
• 相对波面升高时历：相对波面升高时历为波面升高时历与垂向运动响应时历之差。
• 相对波面升高极值：
  • 至少采用10组随机种子数，每组随机种子数至少进行3小时模拟。
  • 由于二阶的贡献，相对波面升高时历变成非高斯过程。对于非高斯过程，可以对不同种子数的最大值拟合求解极值，常用的有Gumbel拟合方法、Winterstein/Jensen拟合方法和Weibull拟合方法。

附录1 非线性效应

附录1.1 一般规定

• 本附录为半潜式平台下壳体和立柱旁波浪爬升等情况的非线性运动和非线性绕射效应分析提供参考。

附录1.2 非线性效应

• 非线性运动效应：对于在波浪作用下下壳体出入水的情况，应通过非线性分析或模型试验进行研究。
• 非线性绕射效应：
  • 在靠近立柱的点，非线性绕射效应显著。
  • 近柱区非线性相对波面升高的不对称系数 = 远柱区不对称系数 + 修正项

附录1.3 不对称系数的标定方法

• 当具备与平台几何外形、吃水/载荷工况及环境条件相匹配的模型试验数据时，宜采用模型试验对不对称系数进行校准。
• 校准所用模型试验应覆盖平台气隙测点最不利的海况与入射方向，并应保证测点位置、坐标系、参考水位与数值模型一致。
• 不对称系数可随测点位置、浪向及海况变化；当试验数据不足以支持空间分布时，可采用关键气隙控制点进行保守估算。
• 校准原则应以气隙测点的相对波面升高（或相对波面升高极值）为目标，使数值分析得到的极值统计水平与模型试验测量结果在统计意义上保持一致。
• 采用P90校准时，应确保90testΨ与式中(η_L、pz对应相同的频带贡献。
• 确定相对波面升高极值分布90%分位值时，应采用可靠的统计方法与一致的数据处理程序，并宜符合以下要求：
  • 若具备多个3小时海况的试验样本，宜以各样本最大值序列拟合Gumbel极值分布确定P90；
  • 当试验样本不足时，可采用超阈值模型进行估计，以提高极值拟合稳定性；
  • 对于数值分析结果的处理：若采用频域分析方法，可基于响应谱与峰值分布假设推导极值分布；若采用时域分析方法，应按与试验相同的分段、滤波、极值提取与拟合的流程处理。