海洋導(dǎo)管架平臺安全數(shù)字化技術(shù)研究.pdf

1、海洋平臺安全數(shù)字化技術(shù)不僅僅是一個新的概念，盡管它所涉及的理論基礎(chǔ)、技術(shù)數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用都是建立在現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)之上，但它是從更高的層次、從系統(tǒng)論和一體化的角度來發(fā)展和整合現(xiàn)有知識，從而為更全面、更深入、更有效地挖掘和利用現(xiàn)有平臺的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全仿真分析，保證平臺安全運(yùn)行，為提高我國海洋平臺全壽命安全管理水平起到積極促進(jìn)作用。
　　 本文以國家863計(jì)劃專項(xiàng)課題“近海老齡平臺延壽技術(shù)研究”、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向老齡平

2、臺延壽工程的壽命預(yù)測與管理理論及方法研究”和山東省自然科學(xué)基金“近海結(jié)構(gòu)虛擬安全理論及其應(yīng)用研究”為依托，以海洋固定導(dǎo)管架平臺為研究對象，提出構(gòu)建海洋工程結(jié)構(gòu)數(shù)字安全技術(shù)體系的新設(shè)想，系統(tǒng)開展導(dǎo)管架平臺數(shù)字安全仿真及應(yīng)用研究，在海洋平臺環(huán)境數(shù)字荷載建模、海洋平臺數(shù)字結(jié)構(gòu)建模、海洋平臺冰疲勞荷載建模、復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)建模方法、平臺碰撞風(fēng)險(xiǎn)評估、平臺連續(xù)倒塌動力非線性分析、老齡平臺延壽決策模型、海洋平臺數(shù)字安全仿真環(huán)境、海洋平臺安全評估技術(shù)體系、

3、海洋結(jié)構(gòu)數(shù)字安全仿真軟件開發(fā)等方面的研究取得了較大進(jìn)展，可為我國海洋油氣資源鉆采裝備安全提供有效的技術(shù)支持。主要研究成果歸納如下：
　　 1、海洋導(dǎo)管架平臺數(shù)字荷載模型研究
　　 研究海洋平臺數(shù)字荷載模型建模步驟，設(shè)計(jì)海洋平臺數(shù)字荷載模型系統(tǒng)框架，并開發(fā)相應(yīng)的6個數(shù)字荷載計(jì)算模塊，即海風(fēng)荷載模塊、波浪荷載模塊、海流荷載模塊、海冰荷載模塊、地震荷載模塊以及樁-土數(shù)字模塊，實(shí)現(xiàn)海洋平臺數(shù)字荷載模塊程序開發(fā)。傳統(tǒng)的冰疲勞荷載劃

4、分方法忽略了冰速、破冰周期以及平臺固有頻率相互關(guān)系的影響，難以滿足冰區(qū)平臺疲勞壽命精細(xì)評估需要?；诒て脚_存在結(jié)構(gòu)共振和非共振兩種基本振動形式，提出一種新的建立平臺冰激疲勞壽命評估環(huán)境荷載模型。該模型考慮結(jié)構(gòu)固有周期劃分冰荷載破冰周期，能夠有效保證工況劃分時不會錯過大部分結(jié)構(gòu)冰激共振工況。
　　 2、海洋導(dǎo)管架平臺數(shù)字結(jié)構(gòu)模型研究
　　 提出空間復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)空間相貫線向平面圓環(huán)的映射方程，并在此基礎(chǔ)上提出統(tǒng)一的復(fù)雜管

5、節(jié)點(diǎn)精細(xì)建模方法；研究復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)字管節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一建模流程，為復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)提供理論模型；開發(fā)了海洋平臺數(shù)字耦合系統(tǒng)分析程序，解決了ANSYS軟件子模型法不能實(shí)現(xiàn)海洋平臺管-實(shí)體單元耦合精細(xì)局部分析的難題；提出將復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)沿管壁分成8個區(qū)塊分別計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)，開發(fā)了復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算模塊；研究了海洋導(dǎo)管架平臺數(shù)字結(jié)構(gòu)仿真的建模原則，建立了海洋平臺荷載數(shù)字模型的系統(tǒng)框架，通過在數(shù)字模型中設(shè)置結(jié)構(gòu)關(guān)鍵

6、節(jié)點(diǎn)，開發(fā)了海洋導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)和局部精細(xì)結(jié)構(gòu)的數(shù)字建模模塊。
　　 3、海洋平臺碰撞風(fēng)險(xiǎn)及倒塌分析模型研究
　　 基于船-平臺碰撞系統(tǒng)模型，分析了近海導(dǎo)管架平臺可能受到碰撞的船舶種類、平均速度、沖擊荷載，進(jìn)行了船-平臺碰撞的風(fēng)險(xiǎn)研究，包括船舶的碰撞概率、損失能量、碰撞后果分析，并以勝利油田海域平臺碰撞為例進(jìn)行了社會風(fēng)險(xiǎn)評估和個人死亡率評估分析；考慮結(jié)構(gòu)失效的動力非線性響應(yīng)過程，以平臺飛濺區(qū)樁柱為關(guān)鍵初始失效構(gòu)件，建立

7、了平臺結(jié)構(gòu)發(fā)生初始破壞的等效靜力模型，基于瞬時加載法分析了平臺結(jié)構(gòu)局部突變而振動的動力響應(yīng)過程，提出了海洋平臺連續(xù)倒塌的動力響應(yīng)分析詳細(xì)流程，最后實(shí)現(xiàn)了海洋平臺碰撞及倒塌分析模塊開發(fā)。
　　 4、不確定環(huán)境下的平臺延壽決策模型研究
　　 分析了平臺全壽命周期成本，研究了平臺運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)；從影響平臺服役狀態(tài)的工程因素、結(jié)構(gòu)因素、荷載因素和風(fēng)險(xiǎn)因素四個維度進(jìn)行分析和調(diào)整，構(gòu)建階層結(jié)構(gòu)；采用模糊理論建立正倒值矩陣，綜合專家意

8、見計(jì)算各因素權(quán)重；引入凹陷因子、裂紋因子、腐蝕因子以及冰荷載因子對影響因素進(jìn)行合理量化，建立海洋油田老齡平臺延壽決策評分準(zhǔn)則；采用邏輯運(yùn)算計(jì)算綜合評分，建立老齡平臺延壽決策參考表，進(jìn)而依據(jù)該表確定平臺延壽基準(zhǔn)期；利用決策模型對兩座海洋平臺進(jìn)行延壽決策，并將其結(jié)果與傳統(tǒng)評判結(jié)果進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明，采用本模型能夠更加精確地描述平臺的動態(tài)經(jīng)濟(jì)壽命，為復(fù)雜不確定環(huán)境的老齡平臺延壽決策提供了一種新的計(jì)算思路。
　　 5、海洋平臺

9、數(shù)字安全仿真系統(tǒng)開發(fā)
　　 構(gòu)建了海洋平臺數(shù)字安全仿真系統(tǒng)框架；將平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為七類，完成了SASOS軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)；實(shí)現(xiàn)了海洋平臺數(shù)字安全虛擬仿真環(huán)境模塊開發(fā)，該模塊由幾何動態(tài)庫、圖形動態(tài)庫以及幾何內(nèi)核庫三個動態(tài)鏈接庫組成；開發(fā)了平臺安全評估模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)平臺結(jié)構(gòu)完整性評估、維修決策評估、加固效果評估以及剩余壽命評估；開發(fā)了導(dǎo)管架平臺數(shù)字安全仿真系統(tǒng)軟件SASOS，軟件通過訪問其中的數(shù)據(jù)庫模塊，自動生成近海平臺評估