دانلود رایگان ترجمه مقاله تحقیقی درباره حوادث ضربه موج در عرشه بر روی مدل TLP – الزویر 2017

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه

مقدمه

در سالهای اخیر، تلاش‌های زیادی برای تحقیق بر روی مشکلات اثر wave-in-deck در سکوهای خارج از ساحل توسط آزمایشات تجربی یا متدهای عددی یا ترکیبی از هر دو انجام شده است. از این رو، دانش مهندسی حال حاضر به پیشبینی دقیق بزرگی و پراکندگی بارهای wave-in-deck و پاسخ جهانی بدست آمده از سازه های شناور که محدود باقی مانده نیاز داشت.
در بین سال های 2004 و 2005، طوفان های ایون، کاترینا و ریتا در خلیج مکزیک 126 سازه خارج از ساحل را تخریب کرد و به 183 سازه دیگر خسارت وارد کرد. خسارت های گزارش شده به ما می گویند که در حین طوفان های موسمی و گردبادها، ارتفاع موج در خیلی از سازه ها از ارتفاع طراحی بیشتر میشود. اخیرا در دسامبر 2015، 50 کارگری که در منطقه حفاری در دریای شمال زمانی صدمه دیدند که موج شدیدی به محل اقامت آن ها اصابت کرد که باعث کشته شدن یک نفر و مجروح شدن یک نفر دیگر شد. متوجه شدیم که این اثرات عرشه بیشتر از چیزی که توسط متدهای تئوری بدست امده، رخ میدهد.
اکثر تحقیقات ثبت شده بر روی اثرات موج بر روی سازه های خارج از ساحل بر روی بدست آوردن جعبه های ساده شده عرشه یا سطح صاف تمرکز داشته است. با این وجود، سازه زیر عرشه مانند ستون ها و پل ها( پتون) می تواند بر روی بزرگی نیرو و پراکندگی آن بر روی قسمت بالایی عرشه تاثیر بگذارد. با توجه به فعل و انفعالات هیدرودینامیک بین ستون ها و پل ها در یک سکوی چند ستونی مانند سکوی ستونی تنشی(TLP)، اثرهای پراش و تابش می تواند باعث افزایش ارتفاع موج شود و بر روی سطح زیرین عرشه اثر بگذارد. نیدوزکی و هوستون فهمیدند که فاصله گذاری بین ستون ها نقش مهمی در فرازجوشی موج در زیر عرشه دارد که میتواند بر روی نیروی عمودی wave-in-deck اثر بگذارد. عبدولصمیع متوجه شد که محل تقاطع ستون های عرشه در یک مدل ثابت TLP که تحت امواج غیر معمولی با قله بلند قرار میگیرد، متحمل فشار ضربه‌ای wave-in-deck بیشتری نسبت به مناطق مرکزی زیر عرشه میشود. شارنک و هنینگ بر روی اثر زیر سازه روی بزرگی بار wave-in-deck تحقیق کردند که این کار با استفاده از وصل کردن یک عرشه جعبه مانند به ستون های مربعی انجام شد. آن ها فهمیدند که حضور ستون تاثیر زیادی بر روی بزرگی نیروهای عمودی کلی و فشارهای محلی دارد و بزرگی بارهه به شدت افزایش یافت. با حضور ستون ها، حداکثر نیروی wave-in-deck عمودی تقریبا دو برابر ماکزیمم بار اندازه گیری شده در حالت بدون ستون افزایش یافت.
وقایع ضربه های شدید wave-in-deck ممکن است بارهای محلی و کلی اصلی را بر روی سازه خارج از ساحل شناور به وجود بیاورد. بارهای کلی میتواند نیروهای بزرگی را در پی و riser ایجاد کند و در نتیجه، بر روی حرکات سازه شناور تاثیر بگذارد، در حالی که بارهای محلی توانایی صدمه زدن به عرشه سازه و تجهیزات را دارد که میتواند امنیت افراد را به خطر بیاندازد. بخش مهمی از تجربه تنش پی توسط یک TLP در شرایط طوفانی میتواند به پاسخ ringing مرتبط باشد که به یک پروسه باندی باریک به علت خفگی کم در حرکات رو به بالا میگویند. از این رو، بررسی رفتار دینامیکی TLP به هنگام ضربه wave-in-deck مورد نیاز است.
در بین بررسی های تئوری شناخته شده، تئوری کاپلان برای تخمین اثر موج و بار ضربه بر روی سکوهای خارج از ساحل بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان مثال، این متد برای آنالیز اثر موج بر روی عرشه سازه های پایه گرانشی GBSو انواع دیگر سکوهای خارج از ساحل ثابت مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از این متد برای جامعه های طبقه بندی شده برای آنالیز کردن نیروهای اثری موج بر روی سکوهای شناور نیز توصیه میشود. بارهولم به صورت تئوری اثر موج های شدید بر روی عرشه یک سکوی semisubmersible(نصفه شناور) را در مقایسه با موج های معمولی مورد مطالعه قرار داد. نویسندگان از بررسی های انجام شده توسط ونگر برای حساب کردن حرکات سکو و از تئوری موج نظم دوم استوکس برای توصیف موج های ضمنی بهره بردند. کد پنل WAMIT برای بدست اوردن توابع انتقالی برای حرکات خطی بدست آمد. نویسندگان فهمیدند که اثر سکو، نیروی مکشی بزرگی را تولید میکند که باعث حرکات رو به پایین بزرگی شود. با استفاده از سازه های ثابت، تلاش هایی برای پیشبینی فشار ضربه و پراکندگی آن در طول عرشه با استفاده از تئوری موج خطی انجام شد. ونگ یک فرمول تئوری را برای فشار اثر بر روی سطح صاف با صرف نظر از ضخامت بدست آورد که نشان دهنده یک رابطه کیفی خوب با فشار اندازه گیری شده در آزمایشات مدل بود. محدودیت های مومنتوم و متدهای مشابه مربوط به کاربرد کینتیک موج های میدان موجی غیر آشقته است.
متدهایی که بر اساس دینامیک سیالات محاسباتی CFD هستند در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. کدهای تجاری مانند STAR-CCM+ و ANSYS FLUENT که به طور رایج استفاده میشوند برای مدل کردن و حل کردن مشکلات اثر wave-in-deck موجود هستند که از روش حجم سیال برای بدست آوردن جریان های هیدرودینامیک سطح ازاد استفاده میکنند. از این رو، تکنیک های مبتنی بر CFD برای استفاده تجربی در مدل کردن یک حجم شناور مرتبط به موج های شدید در حالت دریای نامعقول محدود است.
تست های مدل در گذشته برای تخمین زدن نیروهای wave-in-deck بر روی نوع های مختلف سازه های خارج از ساحل انجام میشد. تست های مدل به صورت قابل بحثی بهترین روش برای بدست آوردن بارهای wave-in-deck میباشد. اکثریت قابل توجهی از کارهای منتشر شده بر روی اندازه گیری نیروهای اثر wave-in-deck کلی بر روی جعبه های عرشه ساده شده یا سطح های صاف ثابت تمرکز دارد که به موج های معمولی و موج های تصادفی مرتبط بود. از طرف دیگر، تحقیقات انجام شده روی شناورهای چند ستونه رایج نادر است. همچنین اکثر تحقیقات بدست آمده بر روی این سازه ها به علت محرمانه بودن پروژه ها در دسترس عموم قرار ندارند. به نظر میرسد که آزمایشات تجربی از اثر wave-in-deck بر روی سازه های خارج از ساحل شناور از اواسط دهه 2000 آغاز شده است. در میان این تحقیقات، جوهایست و هنیگ فواصل هوایی دینامیکی، بارهای موج و پاسخ مدل های TLP تحت شرایط موجی شدید را بررسی کردند. هر دو تحقیق یک حادثه wave-in-deck را گزارش داد که می توانست باعث مکانیزم پاسخی شدید اضافی شوند که یک تغییر جهت در بارگزاری شدید قابل توجه بود. در همان زمان، توزیع فشار ضربه wave-in-deck در اطراف جلو و پشت ستون های یک سکوی شناور چند ستونه و رابطه آن با بار کلی که شامل تنش پی میباشد، به طور سیستماتیک مورد بررسی قرار نگرفته است. گزارش هایی از اندازه گیری های دقیق و پیشبینی بار کلی و پاسخ دینامیکی سازه خارج از ساحل شناور، به علت حوادث اثر wave-in-deck به شدت محدود هستند. همانطور تکنیک های مبتنی بر CFD برای پیشبینی اثر دینامیکی یک حجم شناور لنگری به پیشرفت خود ادامه میدهد. اطلاعات wave-in-deck تجربی برای تایید شبیه سازی های CFD و برای تهیه کردن اطلاعاتی که میتواند برای طراحی این سکو ها استفاده شود مورد نیاز است.

بخشی از مقاله انگلیسی

1. Introduction
In recent years, much effort has been made to investigate wave-indeck impact problems in offshore platforms through experimental and numerical methods or a combination of both. Nevertheless, the current engineering knowledge required to accurately predict the magnitude and distribution of wave-in-deck loads and the resulting global response of a floating structure remains limited (Scharnke and Hennig, 2015; Lee et al., 2014; Hirdaris et al., 2014; Rudman and Cleary, 2013).

In the 2004–2005 year period, hurricanes Ivan, Katrina and Rita in the Gulf of Mexico destroyed 126 offshore structures and severely damaged 183 other structures (Kaiser et al., 2009). The reported damage suggests that during tropical storms or hurricanes the wave height exceeds the design height for many existing offshore structures. Most recently, in December 2015, the living quarters of 50 workers of an offshore drilling rig in the North Sea were damaged when an extreme wave hit the accommodation block leaving one person dead and two more injured (REUTERS, 2016). It has been found that these deck impact events occur more frequently than have been predicted using theoretical methods (Naess and Gaidai, 2011).

The majority of cited research conducted on wave impact on offshore decks has focused on investigating simplified deck boxes or flat plates. However, under deck structures, such as columns and pontoons, can affect the force magnitude and its distribution on the upper deck structure. Owing to the hydrodynamic interaction between the columns and pontoons of a multi-column platform such as tension leg platform (conventional TLP), the diffraction and radiation effects can cause the wave elevation to increase and locally impact the lower deck (Niedzwecki and Huston, 1992; Scharnke and Hennig, 2015; Abdussamie et al., 2016a). Niedzwecki and Huston (1992) found that column spacing plays a major role in the wave upwelling underneath the deck and thereby it may affect the vertical wave-in-deck force. Abdussamie et al. found that the deck-column intersection areas of a fixed TLP model under the action of long-crested irregular waves experienced larger wave-in-deck slamming pressures than the middle areas of the deck underside. Scharnke and Hennig (2015) investigated the effect of substructures on the wave-in-deck load magnitude by attaching a box-type deck structure to a square column. It was found that the column presence had a significant effect on the magnitude of global vertical forces and local pressures; the load magnitudes were significantly increased.

With the column present, the upward peak of the vertical wave-in-deck force increased to more than double the maximum load measured without the column. Wave-in-deck slam events may produce major global and local loads on floating offshore structures. Global loads can generate large forces in the tendons and risers and adversely affect the floating structure’s motions, whilst local loads can cause structural damage to the deck and equipment impairing the safety of operation and life onboard (DNV, 2009). A significant part of the tendon tension experienced by a TLP during storm conditions can be associated with the ringing response, which is a narrow band process due to low damping in heave motion (Johannessen et al., 2006; Hennig et al., 2011). Thus, there is a need to investigate the dynamic behaviour of a TLP installation due to wave-in-deck slam events. Among the known theoretical approaches, the momentum method developed by Kaplan (1992); Kaplan et al. (1995), has been used extensively to estimate the wave impact and slamming loads on fixed offshore platforms. For instance, the method has been applied for the analysis of wave impact on decks of Gravity Based Structures (GBS) (Baarholm and Stansberg, 2005) as well as other fixed offshore platforms (Baarholm, 2009; Baarholm and Faltinsen, 2004). The use of the momentum method is also recommended by classification societies for analysing wave impact forces on decks of floating platforms. Baarholm et al. (2001) investigated theoretically an extreme wave impact on the deck of a semisubmersible platform due to regular waves.

The authors used a Wagner based approach to account for the platform motions and Stokes second order wave theory to describe the incident waves. The panel code WAMIT was used to obtain the transfer functions for the linear induced motions. The authors concluded that the deck impact caused a significant suction force which led to a large downward heave motion. With application to fixed structures, attempts have been made to predict the slam pressure and its distribution through the deck area using the linear wave theory. Wang (1970) developed a theoretical formula for the impact pressure on a flat plate of negligible thickness, which demonstrated good qualitative agreement with the pressure measured in model tests. The limitations of the momentum and similar methods are related to its use of wave kinematics of a non-disturbed wave field or otherwise relying on the potential flow theory for an incompressible fluid; this implies that no consideration is given to the effect of trapped air or viscous effects. Methods based on the computational fluid dynamics (CFD) have therefore received an increasing amount of attention in recent years. Commonly used commercial codes such as STAR-CCM+ and ANSYS FLUENT are available for modelling and solving wave-in-deck impact problems using the volume of fluid (VOF) method to capture freesurface hydrodynamic flows (CD-Adapco, 2012; Fluent, 2009). Nevertheless, CFD-based techniques have still limited acceptance for practical use for modelling a moored floating body subjected to extreme waves in an irregular sea state. Model tests have previously been carried out to estimate wave-indeck forces on different types of offshore structures. Model tests remain arguably the best approach for estimating wave-in-deck loads (Scharnke et al., 2014). The vast majority of published work has been focused on measuring global wave-in-deck impact forces on simplified deck boxes or flat plates fixed in space and subjected to regular waves (Bhat, 1994) and random waves (Sun et al., 2011). On the other hand, investigations of typical multi-column floaters are scarce. Furthermore, most investigations conducted on such structures are subjected to project confidentiality requirements and are therefore not available in the public domain.