大型平板结构物吊装入水砰击力计算准则及应用.doc

大型平板结构物吊装入水砰击力计算准则及应用
【摘要】大型平板结构物海上吊装入水是个瞬态过程,期间结构先后受到砰击力以及水动力的影响,有必要对结构受力响应进行详细研究以指导海上施工。本文综述了前人对平板结构物砰击入水的部分研究,并根据DNV相关标准详述了砰击力计算准则。然后以某大型防沉板为例,根据DNV准则对入水砰击力进行了计算,结果显示吊装索具发生了松弛现象并且产生很大的突发力。笔者最后针对大型平板结构海上吊装作业提出了相关设计及施工方面的建议以避免发生潜在的危险,并展望了本文的工程应用前景。
【关键词】平板吊装入水砰击力施工
近年来,随着海洋石油行业的蓬勃发展,各类水下生产设施都向着大型化,集成化发展,对这类超大尺寸、超重型钢结构的海上吊装施工也提出了更高的要求。海洋工程结构物的海上吊装作业对整个项目的工程进度具有决定性的影响,保障吊装作业顺利安全的实施在整个项目管理过程中显得极为重要。
PLEM、PLET及防沉板等大型平板结构物作为油气开发系统的重要组成部分,经常出现于海上施工作业过程中。这类钢结构的特点是迎水面积大,容易导致结构入水瞬间发生很大的砰击力。假设结构受到的砰击力大于结构自重,则结构在入水瞬间会出现“失重”现象,导致吊装索具出现松弛,但随后结构“自由落体”返回水面,吊装索具再次受力瞬间,受到极大的突发力。
为了确保吊装作业顺利实施,设计人员首先应尽量避免吊装索具出现松弛现象;其次假设发生松弛,应计算动力荷载大小,以确保索具安全荷载达到作业要求。本文的计算过程参考了IMCA[1]、DNV RP-C205[2]及DNV RP-H103[3]的相关标准。
1 结构砰击入水研究进展
结构入水砰击问题的理论研究至今已有80多年的历史,最早对结构物砰击入水问题展开理论研究源于Von Karman计算水上飞机降落过程中浮筒所受砰击压力的研究[4],他首先提出了入水砰击压力的计算公式。此后,人们结合许多工程实际对结构物砰击入水展开深入研究,早期通过理论和试验的方法推导出砰击作业下结构物的受力公式并研究了结构的变形,在船体和鱼雷设计上得到广泛应用。平板结构的入水过程伴随着气、固、液三种不同介质的运动变化,其中气体的可压缩流动和自由液面的非线性变化情况相当复杂,Verhagen根据实验观察到的现象建立了包含气、固、液三种介质的刚性平板入水的理论模型,分析了空气层在平底结构入水过程中的作用[5]。
20世纪70年代随着计算机的发展,人们开始采用数值模拟来解决结构物砰击问题。通过数值模拟可以观察到在试验中无法观察到的砰击现象,也可以解决很多理论分析无法解决的问题,为砰击理论发展提供有利的空间[6]。在海洋工程领域,、Dytran、Ansys以及ABAQUS等在水动力分析及结构砰击入水研究方面发挥极大的作用。但是不管理论研究还是数值模拟,其基于计算的理论模型都采用了较多的简化,难于应用到实际工程中。随着海洋工程走向深水领域发展及水下生产系统的日益高度集成,对大型平板结构物吊装入水砰击力的研究具有广泛的工程应用前景。
2 结构入水砰击力计算准则
所谓砰击力,就是结构入水瞬间水流跟迎水面的相互冲击力,:
砰击速度由三部分组成,一是吊机钢丝绳下放速度cv;二