抗冰平臺結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計分析與驗證研究.pdf

1、寒區(qū)抗冰平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計一直存在諸多具有挑戰(zhàn)性的課題。特別是近年來，隨著海洋油氣資源開發(fā)的日益追求經(jīng)濟性效益，抗冰平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計越來越趨于經(jīng)濟性設(shè)計。然而這些抗冰平臺結(jié)構(gòu)在運行中普遍存在冰激振動問題，致使平臺結(jié)構(gòu)存在多種失效模式，甚至嚴重冰激振動下會導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)的性能喪失。因而，如何滿足各種性能需求的抗冰平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計是值得深入研究的課題。
　　寒區(qū)抗冰平臺結(jié)構(gòu)的性能是由多種性能需求共同構(gòu)成的?？贡脚_結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程包含概念設(shè)計、初步

2、設(shè)計和詳細設(shè)計三個階段，其中概念設(shè)計和初步設(shè)計是決定抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計階段，很有必要開展深入的研究分析工作。因而本文在平臺結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)分析及相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，開展了抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能設(shè)計理論、隔振錐體減冰振策略以及簡易混凝土平臺結(jié)構(gòu)抗冰振性能設(shè)計等方面的研究分析工作。
　　寒區(qū)平臺結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)是抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能設(shè)計研究的基礎(chǔ)，其中渤海冰區(qū)已經(jīng)開展了數(shù)年的現(xiàn)場測量工作，并取得了很多有價值的測量數(shù)據(jù)。本文介紹了渤海海冰信

3、息及平臺結(jié)構(gòu)冰激振動響應(yīng)的現(xiàn)場測量體系，以及測量方法、原理及技術(shù)等最新研究進展。在海冰荷載形成機理、冰力計算模型以及平臺結(jié)構(gòu)冰振失效機理等最新研究成果的基礎(chǔ)上，給出了抗冰平臺結(jié)構(gòu)的性能評估指標。根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)及性能評估指標，對JZ20-2海域的三座抗冰平臺結(jié)構(gòu)進行了性能評估比較分析。
　　油氣資源特點、開發(fā)模式和平臺結(jié)構(gòu)靜、動力性能需求是抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的主要影響因素。闡述了抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能設(shè)計是滿足安全性能、適用性

4、能及經(jīng)濟性能要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。討論了抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能設(shè)計應(yīng)該滿足的設(shè)計控制限值，包括安全性能的強度設(shè)計限值、適用性能的冰振失效限值以及構(gòu)件截面幾何尺寸設(shè)計限值等。通過平臺結(jié)構(gòu)冰振失效和減冰振策略分析，給出了抗冰平臺結(jié)構(gòu)基于性能的動力設(shè)計流程。以JZ20-2油氣田為例，進行了適合該油氣田開發(fā)的抗冰平臺結(jié)構(gòu)概念設(shè)計、平臺結(jié)構(gòu)選型等分析。
　　抗冰平臺應(yīng)用隔振錐體減冰振是利用了海冰物理力學(xué)特性和隔振原理。即海冰彎曲破碎強度低于壓縮強度

5、以降低冰力，同時，動冰荷載作用下隔振錐體發(fā)生主要的冰激振動響應(yīng)，以減少傳遞給平臺結(jié)構(gòu)的冰激振動能量。計算分析了彈簧剛度和阻尼對隔振錐體設(shè)計的影響。結(jié)果表明彈簧剛度是影響隔振錐體設(shè)計的主要因素，同時適當?shù)淖枘崮軌蛭毡ふ駝幽芰浚欣诮档推脚_結(jié)構(gòu)的冰激振動響應(yīng)。以JZ20-2MUQ平臺結(jié)構(gòu)為例，應(yīng)用數(shù)值仿真分析方法驗證了隔振錐體的減冰振效果。
　　以JZ20-2油氣田為例，應(yīng)用實例推理方法進行了基于性能的抗冰平臺結(jié)構(gòu)初步設(shè)計分析。

6、包括平臺結(jié)構(gòu)主樁腿及支撐桿件布置方案選擇，隔振錐體設(shè)計參數(shù)計算以及各性能設(shè)計限值控制條件下的平臺構(gòu)件截面幾何尺寸參數(shù)設(shè)計。對基于性能的抗冰平臺與JZ20-2MUQ原型平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的進行了對比分析表明，基于性能的抗冰平臺結(jié)構(gòu)初步設(shè)計達到了性能設(shè)計要求，從而也驗證了抗冰平臺結(jié)構(gòu)性能設(shè)計理論及動力設(shè)計流程的正確性和可行性。
　　最后，混凝土平臺與鋼質(zhì)平臺進行經(jīng)濟性比較分析表明，混凝土平臺結(jié)構(gòu)在建造成本、安裝就位及維護

7、費用等方面比鋼質(zhì)平臺更具經(jīng)濟性。本文分析了適用于寒區(qū)淺海邊際油氣田開發(fā)的抗冰平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)具有簡易經(jīng)濟性、可移動性以及抗冰振等性能，并提出了滿足這些性能要求的單立柱桶型基礎(chǔ)混凝土平臺型式。以JZ9-3WHPB單立柱桶型基礎(chǔ)鋼質(zhì)平臺結(jié)構(gòu)為例，進行了將其鋼質(zhì)中央立柱設(shè)計為混凝土中央立柱的初步設(shè)計分析。計算分析表明，在同等冰況下，該單立柱桶型基礎(chǔ)混凝土平臺與JZ9-3WHPB單立柱桶型基礎(chǔ)鋼質(zhì)平臺相比，具有更好的抗冰振性能。同時，為寒區(qū)邊際油氣田