考虑损伤的海洋平台井架结构力学性能研究

发布时间：2020-07-23 06:20

【摘要】：海洋井架是海洋平台的重要组成部分,其安全性能在平台整体结构中有着重要的意义。本文通过建立平台-井架整体结构模型,对多维海洋环境下井架结构的力学性能进行了研究,主要研究内容如下:首先,采用有限单元法,以自升式海洋平台井架模型为研究对象,建立了单一井架模型和平台-井架整体数值模型,分别进行了静力分析和模态分析,通过对比分析,验证了建立平台-井架整体模型分析海洋井架力学性能的必要性。通过实测,验证数值模型的准确性与合理性。在此基础上,对立柱节点搭接处和井架底部支脚处两个局部位置采用“小尺度”实体单元,建立了结构多尺度模型,其中用MPC法实现了跨尺度之间的衔接,分析得到局部位置的应力梯度分布和应力集中位置。同时对4种不同程度的腐蚀损伤进行分析,得到损伤对平台结构性能影响的规律。在上述模型基础上,对海风环境下井架结构性能进行了研究。在研究海风载荷的作用特点和分析方法基础上,针对正常作业和风暴自存两种工况进行了具体分析,重点考虑了迎面和背面两种不同风向,得到结构的力学特征、损伤对结构的影响以及局部小尺度的应力分布规律。对海浪环境下井架结构性能进行了研究。采用Morison波浪理论模拟结构的波浪载荷,并根据相似比原理将其作用于平台结构上,针对作业和自存两种海浪工况进行了分析,得到结构的力学特征、损伤对结构的影响以及局部小尺度的应力分布规律。对地震载荷作用下井架结构性能进行了研究。采用时程分析法,选取三维天津波作为激励,对平台结构进行瞬态动力分析,得到结构的力学特征和位移响应情况,同时对不同程度的腐蚀损伤结构进行地震响应分析,寻找其相应变化规律。通过以上分析为后续在役海洋平台井架安全性评价提供参考。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE952
【图文】：

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第二章考虑损伤的海洋平台井架结构模型分析2.1 海洋平台井架损伤分析随着海洋钻机井架服役年限的增长，加之常年服役于恶劣的海洋环境中，结构会存在着多种多样形式的损伤，一旦出现事故将对国家造成不可估量的损失。因此对在役井架进行准确的检测与评估是非常必要的，然而寻找一个合理有效的方法，并建立一个精确无误的数值模型是完成一切研究的前提。海洋井架与陆地井架相比，无论是从设计与安装工艺相比，还是从工作环境相比都有着很大的区别：首先，陆地钻机井架大多分段，每段采用销轴连接，这样易运输、易拆卸、易安装；由于长时间多次数的安装与拆卸，难免会造成井架结构的损伤，常见形式有杆件由于撞击变弯曲，销轴与销口的过于松动，井架底座的地基沉降等形式的损伤。海洋井架一经安装多年不会拆卸，由于海洋平台空间有限，因此井架上附有很多附属结构（如图 2.1a 与图 2.1b 所示），设计与安装精度要求极高，井架结构均以螺栓连接和焊接为主，力求井架结构的稳定性满足要求[38]。

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第二章考虑损伤的海洋平台井架结构模型分析伤形式对比可知海洋井架与陆地井架相比损伤形式最大的区别为腐蚀损伤（如图2.1c），陆地井架损伤大多为底座沉降造成的结构受力不均匀或运输过程中的磕碰造成的井架结构的杆件弯曲；而海洋井架所处工作环境，腐蚀所带来的损伤会严重影响其力学性能。2.2 平台-井架模型的建立2.2.1 物理模型简介本文所研究模型以中油海 1 号平台为原型，结构形式为自升式钻井平台，平台主结构为 4 个圆形壳体式桩腿，主船体与模型底座为槽钢与工字梁按照相似比理论焊接而成。平台上包括钻机井架、游车、天车、生活区、直升机起降平台等构件，如图 2.2所示。该模型可实现各种载荷测试、应力测试、勘探钻井、钻具提升、转盘旋转、泥浆循环、平台上下起升等，是目前国内功能最全面的钻井平台模型。

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【参考文献】