0 引　言

根据DNV GL-2018年度油气行情调查显示，随着经济的供给侧结构性改革，与资源使用的合理化配置，各国在海洋油气资源开发领域投入了大量的物力和财力，行业热情逐渐高涨，特别是深远海油气资源开发方面。众所周知，半潜式钻井平台在深远海油气资源开发中占有重要地位。经勘探，我国南海深远海海域油气资源储量巨大，但是所在位置的海水深度较大，现在主流的钻井平台难以满足作业需求^[1]。因此，适合超深水海域作业的钻井平台开发设计就成为必然。深远海海域环境极其恶劣，对超深水钻井平台的结构设计就提出了更高的要求，如果在平台设计及建造各个阶段都能很好预测平台在各种工况中所受载荷情况，会对平台结构设计起到很大的帮助作用，因此对于设计波法的研究十分有必要。

1 典型工况

根据某半潜式钻井平台在南海长期作业的经验积累，了解到半潜式钻井平台在设计中常常忽略立柱与下浮筒连接的十字节点位置的结构加强，导致在定期结构检修时在该位置常常出现结构裂纹，该节点在整个平台结构中具有至关重要的地位。一旦工作中出现问题，后果不堪设想。因此本文针对立柱与下浮筒十字连接位置，做进一步的波浪载荷探究。

对于立柱与下浮筒连接位置所受到的力和弯矩分析，对该节点产生威胁的特征载荷工况为中纵剖面纵向剪切力和纵向扭转弯矩、中横剖面横向分离力和垂向弯矩。文中标号如表1所示。

2 波陡计算方法 2.1 规则波波陡

全球海域风暴短期海况的规则波波陡S计算公式^[2]为：

$S = \frac{{2\text{π} H}}{{g{T^2}}}{ \text{。}}$

(1)

式中：H为波高；T为周期；DNV规范中提出百年一遇的波陡S的计算公式为：

$S = \left\{\begin{array}{*{20}{c}} \dfrac{1}{7}\;\;\; \text{，} & T \leqslant 6{\rm{s}} {\text，}\\ \dfrac{1}{{7 + \dfrac{{0.93}}{{{H_{100}}\left( {{T^2} - 36} \right)}}}}\;\; \text{，} &T > 6{\rm{s}}{\text。}\\ \end{array} \right.$

(2)

式中：H₁₀₀为百年一遇最大规则波波高，南海海况的H₁₀₀ 可设置为30.69 m。

2.2 不规则波波陡

不规则波一般是以短期海况的波高 ${H_s}$ 和周期 ${T_z}$ 为参考数值，绘制相应的不规则波波谱。不规则波波陡的计算方法为：

${S_s} = \frac{{2\text{π} {H_s}}}{{g{T_z}^2}}{ \text{。}}$

(3)

式中： ${H_s}$ 为有义波高； ${T_z}$ 为平均跨零周期。百年一遇的不规则波波陡可采用下式计算：

$ {S}_{s}=\left\{\begin{array}{*{20}{c}}\dfrac{1}{10}\;\;\;\text{，}& {T}_{Z}\leqslant 6{\rm{s}}{\text，}\\ {\text{线性差值}}\;\;\text{，}& 6{\rm{s}}<{T}_{Z}<12{\rm{s}}{\text，}\\ \dfrac{1}{15}\;\;\text{，}& {T}_{Z}\geqslant 12{\rm{s}}{\text。} \end{array}\right.$

(4)

3 设计波方法

设计波方法的本质是将结构物置于某种波浪环境下，通过对浪向、波高、周期等参数的组合计算，分析结构受载情况，得到能够使结构物状态最不利的一种波浪组合参数的一种计算方法^[3]。这组最不利的波浪组合参数就是此工况下的设计波参数。当对局部结构分析时，局部受载应是局部结构最危险工况下的受力，因此探寻局部结构的最危险工况是一个必要过程。

3.1 确定性设计波法

确定性设计波法的计算过程主要是基于波陡和周期2个参数，通过选定的危险周期结合规则波波陡计算公式，得到波幅计算值，再将波幅与对应周期相乘得到一系列载荷，其中最大值对应的波高和周期就是该工况下的规则波设计波参数，浪向和相位角由最大RAO决定^[4-6]。该方法易操作、计算速度快。

3.2 随机性设计波法

随机性设计波法又称为波浪谱分析法，是一种基于不规则波波谱进行载荷响应的短期预报，进而得到设计波基本参数的波浪载荷预报方法。由于随机性设计波法在计算波浪载荷响应的同时，考虑了海况条件的不规则性和随机性，即海浪谱的不确定性、随机性。从考虑概率分布不均匀的角度分析，随机性设计波法比确定性设计波法更科学，精确度更高^[4-6]。

3.3 长期预报法

长期预报设计波法是一种在完整波浪环境下，基于海域长期统计结果对波浪载荷进行长期预报。在计算过程中认为各短期预报值相互独立，并且均服从Rayleigh分布，各短期预报值通过加权组合形成长期概率分布下的波浪载荷。长期预报法的关键在于波浪谱和概率水平的选择^[7-8]，在工程应用中考虑到计算效率和船舶服役期间所遭受的环境情况（特别是波浪载荷方面），波浪谱的选择一般会采用频域谱，通过频域谱分析法进行波浪载荷的响应预报；而概率水平选择一般采用10^-8。波浪散布图是通过海域环境长期观测结果统计得到，其中较为常用的2种是基于全球海浪统计资料的全球海域波浪散布图(DNV-WW)和最危险海域北大西洋波浪散布图(DNV-NA)。由于南海海域环境复杂，尚未有较明确的波浪统计资料，可以采用DNV-WW代替。

4 算例分析 4.1 目标平台基本参数

目标平台为南海某半潜式钻井平台近似模型，基本特征为双浮筒，四立柱，立柱中间有4根近似圆形截面的横撑，平台甲板以上装配有钻机，钻台，井架，吊机等基础设备以及甲板室生活楼等基础设施，并且设计时该平台在甲板以上还具有较大的可变载荷量。该平台的基本参数如表2所示。应用SESAM软件，进行目标模型波浪载荷的预报分析和平台运动响应分析。目标平台的湿表面模型如图1所示。结构模型如图2所示。

4.2 波浪载荷计算 4.2.1 特征载荷RAO

为适应南海海域超深水油气资源开发，该目标平台设计使用在4000 m水深，结合南海长期统计海况和平台结构设计特点——平台结构呈1/4对称，确定波浪载荷研究分析时只考虑0°～90°浪向，浪向分布间距为15°。在周期3～25 s内进行波浪搜索，并在危险周期内（6～12 s）进行周期步长加密计算，加密周期步长设置为0.2 s，其他设置为2 s。因此载荷传递函数计算基于7个浪向，40个周期。表1选取的4个关键特征载荷的响应幅值算子（RAO）如图3所示。

1）作业海域为中国南海，作业水深4000 m;

2）浪向0°～90°（步长15°）;

3）周期3～25 s；其中，6～12 s（步长0.2 s），14～25 s（步长2 s）

4.2.2 环境波浪条件

对于不同的设计波法，波浪输入条件有所不同。

1）确定性设计波法：

规则波周期选取3～25 s，最小步长为0.2 s，最大步长为2 s。结合2.1节规则波波陡计算方法，由此来确定一系列的输入规则波，输入规则波如图4所示。

2）随机性设计波法：

不规则波的周期选取3～25 s，步长为0.2～2 s，结合2.2节不规则波波陡计算公式，确定一系列短期海况。对于波谱参数的选择，如表3所示。

3）长期预报设计波法：

分别选取基于全球海浪统计资料的全球海域波浪散布图（DNV-WW）和最恶劣的北大西洋波浪散布图（DNV-NA）。

对于不同海域波浪环境参数的设置，没有固定的选择方案，所以根据以上波浪环境输入条件，设计8种特殊环境组合方式，分别采用3种不同设计波法，2种波浪散布图，以及2种不同的波谱形式，其中Jonswap的影响因子选取2.0和2.4，详细组合方式如表3所示。

4.3 结果分析与讨论

根据上文分析设置不同的波浪环境组合工况，分别进行求解设计波参数，不同组合方式下计算结果对比如图6所示。

由图6对比可知，3种设计波法计算值之间差距较大，其中计算结果最为保守的是确定性设计波法，并且其计算值与另外2种方法的计算值差距较大，只有在SEC1014载荷时，确定性设计波法的设计波波高计算值与随机性设计波波高计算值较为接近。从图中不难看出，同一种设计波方法，不同环境参数之间差距不是很大，且在随机性设计波法中，Jonswap谱中增强因子选取2.0和2.4差距较大，并且增强因子选取2.4的计算结果与选择P-M波谱的计算结果更接近；在长期预报法中，相对于波谱形式对设计波波高的影响，波浪散布图的选取对计算结果的影响更大，从图中曲线可以看出波谱形式选择Jonswap谱（包括不同的增强因子）和P-M谱计算结果基本一致，但是波浪散布图在选取DNV-NA时计算结果明显大于采用WW波浪散布图的。

在计算结果统计中变化较为特殊的是长期预报设计波法的计算值，一般而言，根据规范选取的特征工况进行计算，长期预报法的计算值应该是3种设计波法中的最精确值，换言之，计算结果应该是最小。出现这种情况的原因是在选取特征载荷工况时，不是根据平台整体结构的危险状况选取，而是只针对本文所关注的立柱与下浮筒连接处的十字节点，所以通过大概率方式进行统计分析的随机性设计波方法不能很好发挥作用。

结合上述分析，在3种设计波方法中，长期预报法更适合本文想要研究的关键节点，并且在计算设计波参数时波浪环境条件保守情况下选取最危险的波浪散布图DNV-NA，波谱形式可根据规范推荐选用Jonswap谱，形状参数设置为2.4。

5 结　语

本文采用3种设计波方法，设计了8组特殊波浪环境，并以实际半潜式平台分别计算了设计波参数。将计算结果对比分析，其结论对于半潜式钻井平台关键节点结构设计及强度疲劳等分析具有一定的指导意义。根据本文结论，在半潜式钻井平台结构设计初期推荐采用随机性设计波法进行整体设计，在局部节点设计或校核时推荐采用更符合实际环境条件的长期预报法。从经济性上考虑，长期预报法中波浪散布图的选取应尽可能地与实际波浪环境对应。