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抗冰海洋平台动力分析与结构选型研究

刘圆  
【摘要】: 目前抗冰平台的设计仍处于静力设计阶段。但是近几年在渤海辽东湾多座平台的现场监测表明,渤海导管架平台存在比较剧烈的冰激振动现象,并直接威胁着平台的安全。本文基于渤海抗冰平台的现场监测数据以及冰荷载研究的最新成果,对渤海抗冰海洋平台在动冰力作用的结构特性、疲劳分析方法以及结构选型等内容进行了系统的分析和研究。 首先,本文对渤海现场原型试验和基于现场原型试验取得的冰荷载研究成果进行了归纳与总结。研究结果表明,圆柱桩腿平台存在冰致稳态振动,安装破冰锥体后,结构也会发生冰激共振现象。基于直接冰力与结构响应的同步测量数据已经建立了比较实用的冰力模型,这为开展抗冰结构的动力分析创造了条件。本文的研究内容是在消化了冰荷载研究成果的基础上开展的。 对开展现场监测的四座平台建立了有限元模型。基于实测的自由振动衰减曲线,利用对数缩减法确定了渤海抗冰导管架结构的综合阻尼比,为提高抗冰平台动力分析的精度提供了基础。同时分析了结构的模态特征,并利用实测数据进行了对比,验证了模型的合理性, 通过对四座平台的动力响应分析,阐述了渤海抗冰导管架平台的动力特性,指出渤海的抗冰导管架结构为静刚度比较大的柔性结构。在动力特性方面,无论是直立结构还是锥体结构,其基频都与冰荷载的频率接近或一致,抗冰平台呈现明显的动力放大柔性特征。在静力特性方面,渤海抗冰平台的静刚度较大,在极值静冰力作用下,结构的位移响应较小,结构具有较大的静力安全储备。这个特点对开展结构动力优化与结构振动控制有指导意义。 对渤海抗冰导管架平台的疲劳问题进行了比较全面的分析,并对冰振作用下管结点疲劳寿命的详细计算方法进行了研究。 基于实测冰力时程和冰激振动响应数据,论述了渤海抗冰导管架平台存在冰激疲劳失效问题。通过安全寿命分析,给出了冰激疲劳分析的流程,进一步完善了柔性抗冰导管架平台冰激疲劳寿命的分析方法,指出估计冰激疲劳寿命的关键问题是冰荷载与冰疲劳环境参数。同时根据多年的现场冰情监测与海冰数值模拟成果,建立了渤海JZ20-2海域的海冰疲劳环境模型,为进行详细冰激疲劳寿命估计提供了基础。利用谱分析方法,分别对新建的JZ20-2NW平台和现役的JZ20-2MSW平台进行了详细的冰激疲劳寿命估计。 另外,还分析了冰激甲板振动对工作人员和上部管线系统的影响,指出甲板加速度引起的上部管线和作业人员的疲劳也是平台设计需要考虑的问题,设计过程需要对平台的甲板加速度进行分析。利用谱分析方法计算了渤海四座典型抗冰导管架平台在不同冰况下最大振动加速度响应幅值,并利用实测冰激振动响应验证了计算结果的合理性,同时论述了数值结果在实际工程中的应用。 最后,论述了抗冰海洋平台的结构特点和类型,目前已经应用的抗冰海洋平台主要有人工岛和导管架平台两类,总结了这两类抗冰海洋平台的发展历史和结构特点,分析了四腿、三腿与单腿抗冰导管架结构的抗冰性能。结果表明,针对渤海冰区边际油田的开发,独腿导管架平台加抗冰锥体用作卫星平台是可行的,四腿导管架结构加抗冰锥体适合用作中心平台,并进一步论述了简易抗冰平台在渤海应用的可行性以及需要解决的关键问题。


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