海洋平臺結構的斷裂分析.pdf

1、我國現(xiàn)在投產的油田大多數(shù)屬于邊際油田，所以在我國油氣田的開發(fā)中應研究適用于邊際油田的海上采油平臺類型，當然，隨著科學技術的不斷進步，深海油田也在不斷的被開發(fā)，人類正在逐步完成由淺海到深海油田的開發(fā)利用。海洋平臺是海洋石油開發(fā)的關鍵設備，隨著人類對海洋石油資源的迫切需求，所需的海洋石油平臺數(shù)量也越來越多。本文選取的研究對象有兩個：一是適用于邊際油田和小油田的淺海重力式平臺，另一個是適用于深海的Spar平臺。重力式平臺是一種靠自重來保持平臺

2、穩(wěn)定性的鋼筋混凝土結構，一般適用于比較淺的海域，其結構大致由三部分組成：底部儲油罐(沉箱)、支撐立柱和平臺甲板，底部的儲油罐部分一般直接和海底接觸，可用于儲存石油；沉箱上采用鋼筋混凝土或鋼質立柱來支撐上部甲板。這類平臺由于其具有甲板面積大、對海洋環(huán)境適應性強、防火、防腐性能好及維修費低等優(yōu)點，可綜合多種用途，作為海洋石油開發(fā)的多用平臺；同時，Spar平臺被廣泛應用于人類開發(fā)深海的事業(yè)中，目前投入實際生產的Spar平臺在整體組成上一般可分

3、為六大系統(tǒng)：平臺上體、平臺主體、浮力系統(tǒng)、中心井、立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)。Spar平臺擔負了鉆探、生產、海上原油處理、石油儲藏和裝卸等各種工作，它被很多石油公司視為下一代深水平臺的發(fā)展方向。
　　各種海洋平臺結構復雜，造價高昂，在服役過程中，海洋平臺長期處于十分惡劣的環(huán)境，結構功能容易退化，自然會產生許多復雜的機械損傷，如腐蝕損耗、疲勞裂紋或局部凹陷等。本文首先將重力式平臺的儲油罐結構進行簡化，考慮其二維裂紋，研究其在風、波浪、海流及

4、海冰等載荷作用下的斷裂破壞；其次運用大型有限元軟件對深海Spar平臺結構進行靜動力分析，在此基礎上對Spar平臺的三維主體結構進行斷裂分析，并研究其疲勞裂紋擴展及疲勞壽命；最后，用邊界元方法進行了不同風載荷作用下Spar平臺帶邊裂紋主體部分的扭轉斷裂分析，為油田實際工程應用打下基礎。
　　本文的具體工作及創(chuàng)新點如下：
　　1.淺海重力式海洋平臺二維結構的斷裂分析：研究重力式海洋平臺沉箱的表面裂紋最大深度，通過考慮沉箱有一個內

5、表面裂紋，將問題簡化為無裂紋重力式平臺問題和帶裂紋矩形板問題的疊加，應用有限元方法對重力式海洋平臺無裂紋情形進行靜力分析，得到與裂紋位置對應處的環(huán)向拉應力，計算裂紋矩形板的應力強度因子，得到海洋環(huán)境荷載下沉箱內表面裂紋的最大深度。
　　2.深海Spar平臺結構的靜動力分析：針對我國南海的具體情況，應用大型有限元通用軟件ANSYS對平臺進行建模，模型建立后根據(jù)所處環(huán)境條件對平臺進行靜動力分析，靜力分析時考慮一種波浪工況，動力分析時首

6、先進行平臺的模態(tài)分析，在模態(tài)分析的基礎上研究波浪等環(huán)境載荷對所建Spar平臺模型的動力響應。
　　3.深海Spar平臺三維結構的斷裂分析：在平臺靜動力分析的基礎上，利用三維實體單元建立計算模型，對模型進行獨特的網(wǎng)格劃分，闡述了在ANSYS中，三維裂紋應力強度因子計算分析的簡捷方法，并將計算結果和現(xiàn)有理論結果進行對比分析，最后簡要討論裂紋的疲勞擴展，這是論文的創(chuàng)新點之一。
　　4.風載荷作用下Spar平臺帶邊裂紋主體的扭轉斷裂

7、分析：考慮復雜的海洋環(huán)境載荷及所建平臺的固有模態(tài)，發(fā)現(xiàn)扭轉作用是不容忽視的。將 Spar平臺的主體結構簡化為一種材料組成的柱體，考慮其邊緣裂紋，通過建立適用于柱體Saint-Venant扭轉的邊界積分方程對Spar平臺主體部分的扭轉斷裂進行研究；討論裂紋尖端的奇異性，應用邊界元方法進行分析，將問題劃歸為各個邊界上積分方程的求解，并編制Fortran程序進行計算，對含有直線裂紋和曲線裂紋柱體的扭轉斷裂破壞進行了分析，所得結果與文獻資料吻合