大型半潜式钻井平台结构设计关键技术研究

以BINGO－9000型半潜式钻井平台为依据，重点介绍了平台结构设计应解决的几个主要关键技术问题。展开了对该平台在波浪作用下载荷的分析计算，在此基础上对主体结构进行了三维有限元强度分析。对平台特殊结构和K型管节点及支撑结构和立柱结构进行了专门的强度分析和疲劳寿命分析。同时对主体结构遭受破损后出现极限强度不足而导致结构破坏这一情况，提出了对受损主体结构极限强度分析与可靠性评估的设计思路和方法。通过以上关键设计技术研究，可使平台结构设计更趋安全可靠合理，既具有必须的强度储备，又可减轻结构重量。     

缺陷和损伤对导管架式海洋平台结构极限承载力的影响

首先讨论海洋平台结构缺陷和损伤的特点及在平台结构极限承载力分析中的考虑方法;其次根据平台结构完好和有损状态的极限承载力,定义了平台结构的储备强度和剩余强度;最后,采用导管架式海洋平台结构极限承载力近似分析程序UAP,分析了裂纹类缺陷、凹痕类缺陷、腐蚀、海生物附着、地基土冲刷等对导管架式海洋平台结构极限承载力和安全性的影响,从而为海洋平台结构的维修决策提供了依据。     

缺陷和损伤对导管架式海洋平台结构极限承载力的影响

首先讨论海洋平台结构缺陷和损伤的特点及在平台结构极限承载力分析中的考虑方法;其次根据平台结构完好和有损状态的极限承载力,定义了平台结构的储备强度和剩余强度;阳后,采用导管架式海洋平台结构极限承载力近似分析程度ＵＡＰ,分析了裂纹类缺陷,凹痕类缺陷,腐蚀,海洋生物附着,地基土冲刷等对导管架式海洋平台结构极限承载力和安全性的影响,从而为海洋平台结构的维修决策提供了依据。     

构件不同直线度对导管架平台极限承载力的影响

针对传统导管架平台在进行极限承载力分析时未考虑构件直线度缺陷对结果的影响问题,采用非线性逐步倒塌的分析方法研究构件不同直线度对导管架平台极限承载力的影响。根据直线度公式建立不同构件直线度导管架平台有限元模型,考虑导管架平台环境载荷作用,采用非线性倒塌分析方法计算导管架平台极限承载力。结果表明,导管架平台在45°方向强度储备能力最差,构件不直度使其极限承载力严重退化。     

ECA技术在海洋平台结构延期服役评估中的应用

依据断裂力学理论,按照英标BS 7910规范的要求,通过工程算例对海洋平台低疲劳节点进行极限裂纹尺寸和裂纹扩展分析,验证方法的可行性和有效性。此方法可以优化平台的检测周期,降低平台水下检测费用,为在役导管架平台结构的完整性管理和平台延期服役提供参考。     

惠州32-3导管架裂纹群结构安全评估及维修方案研究北大核心CSCD

南海东部惠州32-3导管架在2018年特检时发现在蜘蛛甲板结构的数个节点有裂纹群,存在较大的结构安全隐患,无法满足油田继续安全生产10年的需求。开展了惠州32-3导管架裂纹群结构安全评估方法及维修方案研究,包括损伤计算模型建立、平台结构设计水平分析、极限强度分析、节点疲劳裂纹拓展分析和维修方案选择,根据延寿要求合理选择并实施了局部加强维修方案,确保了该导管架在超期服役时仍处于可接受的安全水平。本文研究成果对今后我国海上老旧导管架结构和同类工程完整性管理具有良好的借鉴意义。     

基于实测应变的现役导管架平台疲劳损伤分析

为评估导管架平台剩余疲劳寿命,以南海某现役导管架平台为研究对象,利用电阻应变传感器对结构高应力区进行应力监测,获取测点处应力时程数据,将其乘以应力集中因数可得到节点的热点应力时程数据。采用雨流计数法获得疲劳应力循环幅值和相应循环次数。参照 DNV推荐的管节点S-N曲线,基于Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤准则,得到热点处的疲劳损伤度,并结合海上实测的时间长度,预测导管架平台的疲劳寿命。由结果可知,评价节点的疲劳强度能够满足平台安全性能要求,且基于监测数据的预测寿命低于设计海况下的寿命。     

深水导管架平台结构动力推覆分析方法

针对动力放大效应明显的深水导管架平台,将非线性动力分析与传统Pushover相结合,提出动力推覆分析（DPA）方法,用于研究平台结构极限承载能力及倒塌力学行为。提出安定状态的概念,作为平台动力倒塌的临界判据,引入动强度储备比和动载比等指标,建立了完善的DPA评估体系。以某深水导管架平台为例,分别从平台极限承载能力、位移响应以及失效模式3个方面对DPA和传统Pushover方法进行对比分析。结果表明：考虑动力放大效应后,基于DPA评估的平台极限位移增大,强度储备有所降低,相比Pushover方法,评估精度更高;DPA与Pushover方法所得到的塑性分布基本相同,载荷动态效应不会改变平台结构的失效模式;DPA能够更好地反映环境载荷动态历程,有效追踪平台结构的倒塌失效过程。     

海洋平台结构系统静强度可靠性分析

本文研究了对三维模型的导管架平台结构系统静强度可靠性评估方法。在极值载荷条件下,分别以极限冲剪应力及屈曲临界应力作为管节点及杆件的极限强度,采用增量载荷法建立破坏模式安全裕量方程。同时研究了求取结构系统主要失效模式的自动算法及计算系统失效概率的方法。作为一个算例,运用作者开发的计算机程序,对一固定式导管架平台进行了可靠性分析,验证了本方法对开展三维模型平台结构系统静强度可靠性评估是可行的。     

导管架非节点有限元简化疲劳分析方法

文章以一座已投入使用的导管架平台裙桩套筒的设计为例,详细介绍了复杂非管节点裙装套筒结构的简化疲劳分析方法:首先采用SACS程序对导管架平台在波浪荷载作用下进行结构整体分析,选取简化有限元疲劳分析中所需的荷载工况组、荷载和边界条件,然后应用ALGOR程序建立裙桩套筒的有限元模型,施加荷载和边界条件,并对应力分析输出结果进行后处理得到疲劳分析结果。这种简化疲劳分析方法及其分析结果得到了挪威船级社(DNV)的认可,对导管架平台非管节点,特别是对适度水深和深水导管架的裙桩套筒的疲劳设计具有参考意义。     

海洋平台结构系统静强度可靠性分析

本文研究了对三维模型的导管架平台结构系统静强度可靠性评估方法。在极值载荷条件下，分别以极限冲剪应力及屈曲临界应力作为管节点及杆件的极限强度，采用增量载荷法建立破坏模式安全裕量方程。同时研究了求取结构系统主要失效模式的自动算法及计算系统失效概率的方法。作为一个算例，运用作者开发的计算机程序，对一固定式导管架平台进行了可靠性分析，验证了本方法对开展三维模型平台结构系统静强度可靠性评估是可行的。     

系泊导管架管节点低温疲劳评估

在低温及环境载荷的综合作用下,极地作业的系泊导管架管节点焊接结构极易发生疲劳破坏,因此加强管节点低温疲劳特性研究具有重要意义。通过有限元软件对系泊导管架进行整体强度分析,并基于结构应力法和组合谱分析方法对飞溅区管节点进行疲劳评估。研究结果表明:在100 a重现期海况下,飞溅区管节点为系泊导管架的危险节点;在室温至-60℃范围,随着温度降低,420 MPa结构钢管节点焊缝疲劳性能有所提升;采用常规主S-N曲线进行低温焊缝疲劳评估存在一定误差; 420 MPa船用钢在低温下具有良好的疲劳性能,可以应用于极地地区海洋结构物建造,同时结构应力法可用于低温焊接结构疲劳强度评估。研究结果可为海洋工程结构的安全评价提供参考。     

导管架式海洋平台全寿命极限承载力计算研究

对平台在全寿命期内,计及材料腐蚀、疲劳裂纹等结构损伤因素及其随机特性,基于固定式平台结构基底极限抗剪切能力计算方法,发展了一种平台全寿命期极限承载力计算方法。并以一位于墨西哥湾海域处八桩腿导管架平台为例,进行了平台全寿命期内动态承载力计算,同时考虑其随机分布的特性,进行了统计分析,得到平台在每个瞬时服役期内的极限承载力统计量随服役年限的变化规律。     

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration（VIV）疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。     

基于谱分析法的深水导管架平台疲劳寿命可靠性分析

以200m水深导管架平台为研究对象,采用有限元方法对各疲劳子工况下平台的动力响应进行分析,确定了计算点处的传递函数,并计算出相应的应力谱;根据Miner线性疲劳累积损伤理论及结构可靠性理论对平台的疲劳寿命可靠性进行了分析;对泥面以下6倍桩径处固定的等效桩做法在深水导管架平台动力分析中的适用性进行了分析。对于深水导管架平台,采用泥面以下6倍桩径处固定的等效桩做法存在较大误差,进行动力分析时须采用桩-土耦合模型;波高较小海况下,平台结构应力谱对应于波浪主频率的峰值较小、对应于平台前两阶固有频率的峰值较大,后者是导致平台疲劳破坏的主要原因;导管架过渡段到第三水平层之间节点及泥面处节点的可靠性指标相对较小。     

低温环境下海洋平台管节点的断裂力学分析

从冬季导管架海洋平台服役的工程实际出发 ,分析研究了管节点的低温疲劳裂纹扩展速率 ,给出了管节点表面裂纹扩展的主要控制变量应力强度因子的计算公式。经过对比和计算 ,得出了在 -2 5℃低温环境下管节点da/dN -ΔK关系式中材料参数c和m的具体值 ,为冬季海洋平台管节点剩余疲劳寿命的估算和安全性评估提供了依据。     

深水导管架平台极限承载能力分析

以我国南海深水的固定式导管架平台为研究对象,采用SESAM软件的Geni E模块进行了有限元建模,分析了作用在平台上的基本载荷和环境载荷,对平台进行了无初始缺陷和考虑腐蚀条件的极限承载能力分析,同时将3个服役期平台的极限承载能力进行对比。建模时将土壤划分了15层,并采用API规范模拟桩-土之间的相互作用力。分析结果表明,当载荷从不同方向作用时,平台的极限承载能力各有差异,载荷从西南、东南、东北和西北4个方向作用时平台的强度储备系数比其他方向小很多;在考虑海水对平台的腐蚀作用后,平台在东、西、南、北4个方向加载时强度储备系数发生了明显下降,随着服役时间的延长这种下降会更加明显。     

导管架平台极限承载力的有限元解法

以某一简化的四桩腿对角型导管架平台为例,利用大型有限元非线性软件ABAQUS的AQUA模块进行波浪力和流力计算,并进行非线性倒塌分析(Nonlinear PushoverAnalyses)。分别计算了四种不同工况下平台在完整模式下和单个构件失效后的极限承载力以及单个构件失效后平台结构的剩余强度系数,以分析单个构件失效对导管架平台极限承载力的影响,为导管架平台的结构整体安全和风险评估提供一种准确而行之有效方法。     

单点系泊海洋平台结构管节点强度校核与可靠性分析

根据海洋平台结构管节点设计准则，自行开发了海洋平台管节点强度校核和可靠度分析软件，应用冲剪校核和名义应力校核法对渤海BZ28-1单点系泊海洋导管架平台结构管节点进行了强度校核。并用可靠度分析软件计算了管节点强度可靠度。找到了海洋平台的最不利的节点和工况组合，为合理设计海洋平台结构和现役平台结构的科学评估、检测、维护和修理提供了分析方法和理论依据。     

海洋平台含裂纹管节点CFRP修复效果仿真研究

以某冰区海洋导管架平台为研究对象,提出基于子模型技术的应力强度因子计算公式和步骤;建立了含裂纹管节点的有限元模型;提出用4种不同厚度的碳纤维增强复合材料(CFRP)片修复含裂纹管节点的有限元模型,并对修复效果进行了仿真分析与评估。仿真研究得出如下结论:(1)采用CFRP片修复平台含裂纹的管节点,裂纹尖端的应力强度因子以及平台管节点极限冰载荷都有较大变化,当CFRP片厚度为3mm时,等效应力强度因子减小58.01%以上,极限冰载荷增加95.83%,而当CFRP片厚度为6mm时,等效应力强度因子减小66.68%,极限冰载荷增加134.70%;(2)随着CFRP片厚度的增加,应力强度因子的减小,使胶层力学性能成为影响CFRP片修复平台管节点裂纹的一个"瓶颈"。