月池爆炸事故下第七代超深水钻井平台结构性能研究

发布时间：2020-11-17 11:51

　　 如今超深水钻井平台作为海洋油气资源开采的重要基础设施,长期生存于恶劣的海洋环境中,除去工作载荷和环境载荷外,钻井平台还会发生因油气泄漏引起的爆炸等偶然性事故。如果发生的偶然性事故使得平台上一些重要结构损坏,这不仅会导致财产损失、环境污染、设备损坏甚至危及工作人员的生命安全。因此,研究和评估钻井平台结构在偶然爆炸载荷作用下的动态响应及结构性能有重要的实际意义,它对平台定量风险评估、海工优化安全设计以及持续健康发展具有重要的参考价值。本文通过对爆炸事故下的分析基本理论包括规范分析、非线性动态有限元法分析和基于单自由度体系的结构简化分析理论的整理汇总及吸收,建立了适用于本文钻井平台的数值模型,对爆炸事故下的钻井平台上船体结构分别进行了爆炸载荷特性、结构损伤变形及塑性变形吸能等结构抗爆性能的动态响应一般规律分析研究和基于单自由度模拟的结构简化分析研究,并以相应的数值模拟结果作为参照,针对爆炸载荷下的简化分析计算结果进行了对比验证。本文为预估爆炸事故下超深水钻井平台上船体的结构抗爆性能和改善结构性能优化设计提供了参考。本文具体研究内容如下:(1)对目前国外相关规范要求、爆炸事故下的结构损伤分析主要研究现状和研究基本理论进行了汇总整理。结合目标平台作业海域情况及其结构形式,确定适用于目标平台的爆炸事故场景,爆炸载荷形式,载荷大小及其计算工况,选取钻井区域的月池结构为重点研究部位。(2)爆炸冲击波流场数值模拟及其网格尺寸效应研究。采用数值分析软件模拟爆炸后的冲击波流场特征及其传播规律,从网格尺寸效应方面对超压峰值的模拟结果与理论经验公式计算结果进行对比分析,得出适用于目标平台爆炸事故场景下的网格尺寸。并基于规范要求确定了爆炸场景的相关参数,完成了超深水钻井平台上船体结构的有限元建模等工作。(3)应用非线性有限元方法,对钻井平台结构在爆炸载荷作用下的结构响应性能进行了研究分析。模拟了上船体结构在不同载荷大小及不同爆源位置下的爆炸场景,对比分析结构在爆炸载荷下的动态响应、结构损伤及能量变化。研究发现:整体上船体结构抗爆性能优越,能量吸收及传递均衡。在43.3m高度位置爆炸场景下,月池内部结构受冲击作用最大,迎爆面舱壁呈现大量凹陷变形,中间甲板及沿X方向月池内壁相交处损伤变形最为严重。(4)钻井平台爆炸载荷下的结构简化分析应用研究。整理汇总爆炸场景下不同的结构、载荷及抗力的简化分析应用方法。采用等效单自由度系统的简化分析方法对钻井平台月池结构在爆炸事故模拟中较为危险的两处内壁进行了结构损伤变形求解分析并与数值模拟结果进行对比验证。研究发现:简化分析方法与数值模拟吻合度较好,其误差在15%以内,符合工程实践要求,可用于快速预估结构的抗爆承载能力及受爆炸载荷作用下的损伤变形模式,但对于复杂结构的适用性还需作更深入的研究。本文的研究工作可为进一步开展爆炸事故下钻井平台的结构抗爆性能研究打下基础,并可为海洋结构物结构优化设计、结构防爆设计研究提供一些有价值的参考依据。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE52
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 爆炸事故下结构性能研究进展
        1.2.1 海洋平台爆炸事故回顾
        1.2.2 爆炸试验研究进展
        1.2.3 爆炸载荷下结构响应理论研究进展
        1.2.4 爆炸载荷下结构响应数值模拟研究进展
    1.3 油气爆炸载荷特点及分类
        1.3.1 油气爆炸载荷特点
        1.3.2 爆炸载荷分类
    1.4 爆炸载荷下的钢材料特性
    1.5 本文主要研究内容
    1.6 本文创新点
第2章 爆炸事故分析基本理论
    2.1 空中爆炸冲击波理论
        2.1.1 爆炸冲击波特性
        2.1.2 空中爆炸冲击波的传播理论
        2.1.3 空中爆炸冲击波经验计算公式
    2.2 爆炸动态有限元分析方法基本理论
        2.2.1 概述
        2.2.2 MSC.Dytran 的分析及求解方法
    2.3 爆炸简化分析基本理论
        2.3.1 爆炸简化问题概述
        2.3.2 压力时程曲线简化方法
        2.3.3 单自由度系统的动力响应
        2.3.4 结构等效分析方法
    2.4 本章小结
第3章 空爆模拟及爆炸载荷下典型工况分析
    3.1 材料模型参数选择
        3.1.1 材料本构模型及应变率效应分析
        3.1.2 材料失效应变值确定
    3.2 空爆冲击波数值模拟
        3.2.1 材料状态方程
        3.2.2 有限元模型
        3.2.3 空中爆炸理论压力峰值
        3.2.4 超压峰值云图及时间历程曲线
        3.2.5 爆源当量对计算结果的影响分析
        3.2.6 欧拉网格尺寸对计算结果的影响分析
    3.3 超深水钻井平台上船体计算模型及工况制定
        3.3.1 超深水钻井平台上船体有限元建模分析
        3.3.2 超深水钻井平台月池爆炸场景及计算工况制定
    3.4 超深水钻井平台上船体爆炸典型工况分析
        3.4.1 爆炸载荷下月池结构时域响应特性分析
        3.4.2 爆炸载荷下上船体结构能量变化分析
        3.4.3 爆炸载荷下上船体结构损伤情况分析
        3.4.4 爆炸载荷下上船体结构应力分析
    3.5 本章小结
第4章 爆炸载荷下结构响应对比分析
    4.1 不同位置爆炸载荷下结构响应对比分析
        4.1.1 不同位置爆炸载荷下时域特性分析
        4.1.2 不同位置爆炸载荷下能量变化分析
        4.1.3 上船体结构损伤对比分析
    4.2 不同当量爆炸载荷下的结构响应对比分析
        4.2.1 不同当量爆炸载荷下时域特性分析
        4.2.2 不同当量爆炸载荷下能量变化分析
        4.2.3 上船体结构损伤对比分析
    4.3 本章小结
第5章 爆炸载荷下月池结构响应简化分析
    5.1 简化分析基本概述
    5.2 简化分析基础理论
        5.2.1 等效分析方法
        5.2.2 材料阻力特性
        5.2.3 结构塑性极限
    5.3 爆炸场景定义
        5.3.1 月池内壁爆炸板格位置确定
        5.3.2 数值模拟设置
    5.4 简化分析结果
        5.4.1 沿X方向月池内壁板格
        5.4.2 沿Y方向月池内壁板格
    5.5 本章小结
总结与展望
    全文总结
    研究展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢

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本文编号：2887466