SACS軟件的COLLPASE模塊是導管架平臺進行船舶碰撞研究的有效工具。目前國內船撞分析的環境參數選取都是基于國際規范，因此需要針對項目所在國內海域實際情況進行參數適應性研究。文章在參數適應性研究基礎上針對項目所在海域對船舶噸位、船撞速度、船撞區域等參數進行了修正，并且采用修正后參數對船撞過程以及撞擊后導管架的性能進行了研究。

關鍵詞

船撞；導管架；SACS；倒塌；Collapse

近年來，隨著海洋石油開采的不斷發展，一座座海上石油平臺拔地而起，某些海域，石油平臺的密度已經接近飽和。如此高密度的石油平臺在安裝階段，乃至整個壽命周期內，都有被船舶撞擊的風險。雖然大多數平臺都安裝有靠船裝置，以降低供應船等船舶作業時碰撞平臺對平臺造成損傷，但是意外情況仍難免發生。船舶撞擊平臺輕則造成結構凹陷變形，重則導致平臺傾覆倒塌。據了解，我國渤海海域一座四腿的導管架井口平臺的工程投資大約在數十億元人民幣。所以，船舶撞擊石油平臺的分析研究工作至關重要。

API，DNVGL，ISO19902等海洋結構物相關規范中都有涉及船撞分析指導做法，但較為籠統，相關參數選取不符合我國海域實際情況。本文以渤海某實際項目為依托，在進行參數適應性研究的基礎上，采用SACS軟件Collapse模塊對船撞分析進行較深入研究，圓滿完成工程設計任務。

船舶撞擊平臺的分析研究按照時間歷程可以分為兩個過程：撞擊階段的研究和撞擊后的分析研究。

1）撞擊階段，碰撞的過程實質是一個能量的轉換與傳遞的過程。研究是建立在機械能守恒的基礎之上。因為碰撞的過程很短暫，可以將其視為一個準靜態的過程。船舶撞擊平臺是典型的非彈性碰撞。碰撞前，運動的船舶具有動能，碰撞接觸的一瞬間，船舶的動能一部分轉化為平臺的動能，另一部分被平臺和船舶自身吸收，轉化為平臺和船舶的應變勢能。

為了簡化問題，本文的研究進行以下假設：①船體為剛體；②船舶與平臺碰撞后均靜止。這樣，碰撞過程中，船舶的動能全部轉化為平臺結構的應變勢能，包括：

a、受沖擊構件因凹陷和梁彎曲而產生的局部變形。

b、整個結構的整體變形。

2）撞擊后分析，是研究平臺在遭受撞擊后，損壞構件在不修復的情況下，在一年一遇的最大環境荷載下，是否可以正常工作，保證充足的時間對結構進行修復。

2.1 撞擊能量

船撞的主要能量是船舶動能，動能公式：

E：撞擊能量（MJ）

a：附連水質量系數

m：船舶質量(MT)

v：撞擊速度(m/s)

2.1.1 船舶質量

關于船舶質量NORSOK N-003，ISO/CD 19902，DNVGL中指出在北海區域推薦選用排水量5000MT的船舶。本文參照規范推薦值并結合渤海區域過往船只和補給船的噸位選用了5400MT船舶進行計算。

2.1.2 附連水質量系數

附連水質量的系數的選取，根據ISO 19902中規定，其與船舶大小和船舶撞擊平臺的船舶的撞擊部位有關。5000噸級以上的船舶，當船側撞擊平臺時系數取1.4；當船艉或船艏撞擊平臺時系數取1.1。小于5000噸的船舶附連水質量系數可以增加到1.6和1.4。API中推薦附連水質量系數與船舶大小無關，只與撞擊時船舶的撞擊方式有關，當側撞時取1.4，船艉或船艏撞擊時取1.1。綜合兩本規范推薦值，根據2.1.1節船舶噸位，本文使用的附連水質量系數為1.4，按照船舶側面撞擊平臺考慮。

2.1.3 撞擊速度

撞擊速度需要分低能量水平撞擊速度和高能量水平撞擊速度兩種情況進行考慮。

1）低能量水平的撞擊速度。此時船舶沒有失去動力，撞擊平臺前有自我控制能力。API，DNVGL，ISO19902等規范一致推薦的值為0.5m/s。

2）高能量水平的撞擊速度。此時船舶失去動力，船舶在波浪的推動下撞向平臺。NORSOK N-003，DNVGL，ISO19902等規范對于此種情況給出的推薦速度是2m/s。ISO19902中指出：在海浪高度約為4米時，高能量船撞的船舶速度推薦使用2m/s。以上規范給出的建議速度均是針對挪威北海海域。而本項目位于我國渤海灣區域，根據氣象水文資料，本項目所處的渤海海域波浪情況如表2.1，渤海海域與北海海域浪高曲線如圖2.1。

圖2.1 渤海與北海波高、頻率曲線圖

曲線Ⅰ：渤海海域波高曲線。

曲線II：挪威北海海域波高曲線（Hs≤4m）。

曲線III：挪威北海海域全年波高曲線。

曲線II僅統計了挪威北海海域波高小于等于4m的情況，這是考慮到如果波高大于4m時，補給船將被禁止靠近平臺。

從圖2.1可以看出，渤海海域海浪超過2米的概率約8%，超過4米的概率僅為0.43%。而北海海域全年波浪高度超過4米的概率達20%。因此，規范上建議的2m/s撞擊速度顯然不適合我國渤海海域。

本文建議以10個百分點為特征值進行研究，渤海區域超越概率10%對應的浪高是1.8m，而北海區域對應的浪高是3.4m（曲線II），如果對應曲線III的話，可以達到5m。說明在90%的概率下，渤海海域的波高僅是挪威北海海域的1/2。

根據文獻，船舶漂移速度與浪高的關系為：

v: 船舶漂移速度(m/s)

Hs: 有義波高（m）

綜上，本文建議渤海海域船舶高能量撞擊的撞擊速度為1m/s。

2.2 撞擊模擬

2.2.1 撞擊區域

碰撞區域是指船舶可能撞擊平臺任何一側的區域，包括導管架腿、斜撐等。本文僅研究船舶以一個方向撞擊導管架主腿的情形。

碰撞區域的垂直高度應根據船舶吃水深度、波高和潮位高度確定。NORSOK N-003中給出的撞擊范圍建議值是撞擊海域天文潮高潮位(HAT)以上13m和最低天文潮低水位(LAT)以下10米。通常情況5000噸補給船型深7～8m。顯然如果船舶側向撞擊平臺，這個建議撞擊區域有些大。

下圖是渤海海域典型補給船尺度圖，船舶水線到底部平線距離為2918mm、到舷側距離為5080mm。如前文2.1.2節中所述，本文考慮船舶側向撞擊平臺，故撞擊范圍取LAT-3m～HAT+5m。本文研究的導管架平臺海域高潮位(HAT)和低潮位(LAT)分別比平均海平面高0.9m，低0.9m。所以本文選擇的撞擊區域為以平均海平面(MSL.)為EL(+/-)0.0m的EL.(-)3.9m～EL(+)5.9m范圍。并對撞擊高點EL(+)5.9m和撞擊低點EL.(-)3.9m分別進行模擬撞擊研究。

圖2.2 渤海區域典型補給船

2.2.2 撞擊力

模擬撞擊計算中，在撞擊點上根據撞擊方向添加撞擊力，撞擊力按設定的系數逐步增大模擬撞擊過程。設定初始撞擊力為1000KN。每步均計算撞擊力在結構桿件上產生的凹陷值以及撞擊能量。當撞擊能量達到公式(1)中的值時，計算結束，可以從計算結果中讀出桿件產生的凹陷值與結構吸收的總能量。

在SACS中提供了兩種撞擊力與桿件凹陷值的計算方法，分別是Furnes和Ellinas公式

Furnes 公式：

Ellinas公式：

Furnes 公式與Ellinas公式結果相近，本文選用Furnes 公式。

2.2.3 桿件凹陷吸能公式

撞擊力作用在結構上，使結構產生凹陷，其撞擊能量是撞擊力在凹陷深度上的積分，用公式表示為：

將Furnes 公式帶入公式（5）可以得到：

3.1 撞擊階段計算結果及分析

SACS軟件計算結果匯總如下：

根據公式（1）撞擊總能量

SACS計算中每一步撞擊都會根據撞擊力計算出撞擊能量和結構凹陷，由于撞擊力是初始值的倍數增加，當計算的撞擊能量達到船舶撞擊能量3.78MJ時計算停止。故SACS計算的總能量會略高與公式（7）計算值。總撞擊力在低撞擊點和高撞擊點分別為22600KN,29800KN，桿件產生的凹陷值分別為16.95cm，7.13cm。撞擊力與桿件凹陷值關系曲線圖3.1和圖3.2。

撞擊低點導管架腿尺寸為?2604X45,撞擊高點導管架腿尺寸為?2604X80。很顯然得出結論：當撞擊能量一定時，被撞擊桿件壁厚越大，產生的凹陷值越小。故在導管架平臺的設計中，可以通過增加腿壁厚來降低船舶撞擊造成的風險。

圖3.1 低撞擊點撞擊力與桿件凹陷值曲線

圖3.2 高撞擊點撞擊力與桿件凹陷值曲線

3.2 撞擊后平臺結構分析

導管架平臺在遭受撞擊后，桿件產生局部凹陷。撞擊后平臺結構性能從兩方面來進行分析。1）利用Dent tubular單元來模擬遭受撞擊產生凹陷的桿件。對整體結構施加環境荷載，進行在位情況下的靜力分析，驗證結構在操作工況下的安全性。2）使用SACS軟件的COLLAPSE模塊進行平臺倒塌分析計算。結構凹陷不修復的情況下，將環境力作為變量逐步增加，直至平臺倒塌，得到平臺倒塌前環境力的增加倍數RSR(安全儲備系數)。安全儲備系數越大，說明結構越安全。

從圖3.4和圖3.5的計算結果得出：當船舶分別在低點和高點撞擊平臺后，平臺的安全儲備系數為20.47和18.27。得出結論，船舶在高潮位時撞擊平臺風險更大。

圖3.3 SACS軟件中的Dent tubular單元

圖3.4 低撞擊點撞擊，平臺倒塌前桿件塑性比

圖3.5 高撞擊點撞擊，平臺倒塌前桿件塑性比

4.1 結論

本文結合我國渤海海域海洋環境實際情況，對API，DNVGL，ISO19902等規范中關于船撞的參數進行了修正，給出船撞速度在低能量船撞時建議值0.5m/s，高能量船撞時建議值1.0m/s；當撞擊船舶為5000MT以下的船舶時，撞擊區域推薦為LAT-3m～HAT+5m的范圍。

通過某導管架平臺的船撞分析，得出結論：1）在導管架平臺的設計中，可以通過適當增加腿壁厚使結構具有一定的冗余度，降低船舶撞擊造成的風險。2）在高潮位，大風浪的海洋環境下，應盡量減少船舶靠近海洋平臺，以防止發生碰撞。

4.2 展望

目前國內海洋平臺使用的相關規范標準大多都是針對于挪威北海海域。而我國渤海、南海等海域環境狀況與其相差甚遠，在一些參數的選取方面，需要做出適當的修正，才能更加符合實際情況。相信在不遠的將來，會有適合我國海洋環境的規范制定出來。

下載地址：SACS軟件手冊模塊說明