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波浪衝擊對海上結構的影響

本文由 Stress Engineering Services的 Anup Paul和 Chris Matice提供


海上平台甲板下方的靜水空氣間隙是重要設計參數,由極端設計條件下所需的最小空氣間隙決定。對於半潛式平台和張力腿平台等結構,預測最小空氣間隙和甲板衝擊事件的發生機率具有挑戰性。


(12 公尺波浪作用下SPAR的動態反應)


陡峭海浪會與平台支柱交互作用,產生難以預測的非線性效應以及波浪放大現象,需要將這些因素納入空氣間隙的設計考量。在惡劣環境下,當海浪低谷低於平台底部時 (負值空氣間隙), 精準預測甲板承受的撞擊載荷至關重要。隨著石油天然氣開採移往更深海域,須採用浮式平台,然而甲板高度受限於重量及穩定性限制。因此,為了評估惡劣環境下此類結構的性能,準確預測甲板離自由水面的淨空高度和甲板承受的撞擊載荷非常重要。


計算流體動力學

計算流體動力學(CFD)方法被廣泛應用於各個產業,用於分析流體流動和熱傳遞特性。CFD 搭配流體體積法(VOF) 模型,可以有效預測海上平台的空氣間隙和波浪撞擊載荷。VOF方法能精準預測自由液面形狀和非線性波浪行為。對於浮式平台,CFD 可以與有限元素分析 (FEA) 結合使用,預測波浪衝擊時平台的動態和結構回應。


SPAR 平台的波浪交互作用

圖1為SPAR 平台面對 10 公尺和 20 公尺浪的動態反應。這兩個浪的週期均為 20 秒,並使用線性波浪邊界條件生成。SPAR 平台被建模為質心具有 6 個自由度的剛體。圖2為SPAR質心的垂直位移。圖3為波浪交互作用導致作用於 SPAR 的水平力。


圖1. SPAR的動態反應
圖1. SPAR的動態反應

圖2. SPAR的垂直位移
圖2. SPAR的垂直位移

圖3. SPAR 平台的水平力
圖3. SPAR 平台的水平力

波浪衝擊對重力式基礎(GBS)的影響

圖 4 為波浪衝擊重力式基礎 (GBS) 的甲板。平均水深為 151.1 公尺,初始空氣間隙為 21.7 公尺。入射波浪高度為 40 公尺,週期為 17 秒。圖 5 為波浪頂部撞擊甲板導致作用於 GBS 的水平和垂直力。波浪對GBS前端的初始衝擊和對甲板頂部的二次衝擊,分別對應圖中力量的峰值,如圖4所示。

圖4. 波浪衝擊 GBS
圖4. 波浪衝擊 GBS
圖 5. 波浪衝擊甲板導致GBS的力歷程
圖 5. 波浪衝擊甲板導致GBS的力歷程

搭配結構工程服務的其他深水設計驗證程式,計算空氣間隙、甲板波浪載荷以及結構對這些極端事件的反應能力,能讓我們的客戶以前所未有的細節評估其深水結構,並彈性的快速評估擬定設計變更。




Stress Engineering Services(SES)是一家工程顧問公司,提供設計、分析和測試服務給上游和下游石油天然氣行業的客戶,以及廣泛的其他工業和製造行業。SES 是一家員工持股的公司,擁有36年的豐富經驗,協助客戶解決他們最棘手的技術問題。


Anup Paul是SES的副總裁,專注於結構、產品和製程的流體動力學分析。


Chris Matice,Ph.D.,P.E.是SES的負責人,領導他們的製程技術團隊,專注於工廠和設備的流體動力學和結構評估。

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