深水浮式平台原型测量方法与监测技术研究

摘要

浮式平台是深水油气资源开发中重要的海洋工程装备。对浮式平台结构分析与设计验证方法的研究，是我国突破深海开发技术瓶颈，实现深水平台概念、基本与详细设计能力的基础。
　　利用服役结构进行原型测量，能够获得真实的环境荷载与结构响应信息，既可以用于被测结构的设计验证，又可以作为现场试验结果为同类结构设计提供参考。利用原型测量方法可以突破由深水浮式平台的概念结构形式、环境荷载表征和失效模式的不明确性，而引发的传统数值仿真和水池试验方法的局限性。因此，原型测量已经成为深水浮式平台结构分析和设计验证的重要方法。由于深水浮式平台结构复杂、应用环境恶劣，原型测量通常难以获得完备的测量信息。同时，大量常规测量手段并不适用于深水环境荷载和浮体响应的原型测量，对于水下结构更是缺乏相关的测量方法和测量系统。目前原型测量依然有很多方法上和技术上的难点亟待解决。
　　为此，本论文利用我国现役的一座多点系泊的半潜式浮式平台开展了针对深水浮式平台的原型测量与分析研究。针对深水浮式平台原型测量方法与现场实施监测技术开展了研究。本文主要研究内容包括:
　　(1)面向深水浮式平台结构分析与设计评价的原型测量方法。
　　合理的测量参数、测量原则和测量方法是有效的开展深水浮式平台原型测量的前提。依据深水浮式平台设计流程与北海浮式平台失效事故的多年统计结果，总结了深水浮式平台主要的失效模式，以此提出了原型测量信息。并根据浮式平台设计规范中定义的环境参数荷载化模型和结构响应分析需求，讨论了被测信息的测量需求。依此，考虑深水浮式平台应用环境与结构特点，设计了以INS/DGPS，倾角仪/加速度仪的多种响应/频率/幅值的测量方法。另外，为了实现对深水系泊系统的测量，基于系泊系统的集中质量模型，改变了以浮体运动作为运动方程边界条件的传统求解方法，以系泊缆姿态变化作为分析系泊缆动态张力的求解条件，以此提出一种系泊系统的水下原型测量方法。最终发展了包含环境荷载、浮体运动和系泊系统参数的深水浮式平台原型测量系统。
　　(2)面向原型测量现场应用的监测技术。
　　为了在深水浮式结构上实现原型测量，对基于电子、机械和计算机等多学科交叉的现场监测技术开展了研究。为了实现水下结构信息的测量，开展了基于自容式技术的水下测量装置研究，开发了低功耗的水下测量设备;为了实现海量信息同步采集与存储，开展了基于多层网络技术的原型测量系统软硬件集成技术研究，建立了基于智能监测节点和监测站的集成监测系统;为了实现极端荷载天气下的原型测量，对基于远程传输技术和独立供电技术开展了研究，建立了IRMS系统。
　　(3)原型测量系统在“南海挑战号”FPS的现场应用。
　　为了验证原型测量系统的合理性和可行性，针对我国南海一座半潜式浮式平台“南海挑战号”FPS，设计并建立了现场原型测量系统;基于监测技术，开展了长期的原型测量，获得了大量实测资料并完整记录了多次台风过程的完整信息。
　　(4)基于原型测量信息的深水浮式平台设计参数分析与评价。
　　利用实测信息，对深水浮式平台设计中的抗风设计参数、结构RAOs参数和系泊系统参数开展了分析与评价。通过台风与季风条件下在不同高度测量得到的风参数信息，基于非平稳模型对南海强风环境下的抗风设计参数开展了分析，获得了基于实测结果的湍流度、剖面系数和脉动风谱等抗风设计参数;利用实测波浪信息开展了被测海域波浪谱模型的拟合，通过实测的浮体响应谱开展了实测响应幅值算子拟合，进而获得了被测结构的实测RAOs信息，依此开展了浮体结构响应设计评价;基于水下测量系统的实测结果，在频域内开展了台风天气下系泊缆动态响应状态与波浪激励和浮体运动之间非线性耦合关系的研究，基于集中质量模型，开展了系泊缆动态张力分析，利用频域分析和小波变换获得了系泊缆动态张力的频率成分。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 深水浮式平台设计研究现状

1．2．1 深水浮式平台设计中的关键力学问题

1．2．2 数值模拟方法研究现状

1．2．3 模型水动力学实验方法研究现状

1．3 面向结构分析与设计评价的原型测量方法

1．3．1 原型测量方法

1．3．2 海洋平台原型测量方法研究现状

1．3．3 原型测量面临的问题

1．4 本文主要工作

2 海洋浮式平台表征信息与测量原则

2．1 引言

2．2 四类海洋浮式结构介绍

2．2．1 半潜式浮式平台(Semisubmersible)

2．2．2 浮式生产储卸装置(FPSO)

2．2．3 张力腿式浮式平台(TLP)

2．2．4 立柱式浮式平台(SPAR)

2．3 浮式平台结构失效模式

2．3．1 结构强度失效

2．3．2 稳性失效

2．3．3 系泊失效

2．4 基于失效模式的测量信息与测量原则

2．4．1 海洋环境参数测量信息与原则

2．4．2 浮式海洋平台测量信息与原则

2．4．3 系泊系统测量信息与原则

2．5 小结

3 深水浮式平台结构原型测量方法

3．1 引言

3．2 浮体结构运动响应测量方法

3．2．1 空间平面运动测量

3．2．2 动态转动测量

3．2．3 INS／GPS联合测量系统

3．2．4 浮体结构强度测量

3．3 系泊系统水下测量方法

3．3．1 系泊系统原型测量方法研究进展

3．3．2 基于集中质量法的系泊系统原型测量方法

3．3．3 测量方法的实验验证

3．4 小结

4 面向原型测量现场应用的监测技术

4．1 引言

4．2 水下结构测量技术

4．2．1 自容式传感器设计

4．2．2 测量系统水下安装技术

4．2．3 自容式传感器性能测试分析

4．3 监测系统软硬件集成框架设计

4．3．1 硬件系统集成框架设计

4．3．2 软件系统集成框架设计

4．3．3 数据共享平台设计

4．4 远程独立监测系统

4．4．1 远程独立监测系统(IRMS)介绍

4．4．2 实时远程监测技术

4．4．3 极端环境荷载作用下的独立监测技术

4．5 小结

5 原型监测技术在“南海挑战号”FPS现场应用

5．1 前言

5．2 “南海挑战号”FPS简介

5．3 原型测量系统介绍

5．3．1 原型测量信息

5．3．2 原型测量系统

5．3．3 原型测量系统网络化集成

5．4 跨风期连续测量结果

5．5 小结

6 基于实测信息的海洋环境和结构响应特性分析

6．1 引言

6．2 南海近海面脉动风场特性研究

6．2．1 脉动风特性

6．2．2 脉动风非平稳模型

6．2．3 LH4-1海域脉动风场特征分析

6．3 海洋浮式平台结构响应特征分析

6．3．1 基于幅值响应算子的设计评价方法

6．3．2 流花平台设计参数评价

6．4 台风环境作用下平台实测性能分析

6．4．1 南海浮式平台台风管理模式

6．4．2 台风“洛坦”实测结果统计分析

6．4．3 台风天气下实测结果与数值结果比较

6．5 系泊系统动态响应分析

6．5．1 动态响应频率分析

6．5．2 系泊缆动态张力分析

6．5．3 台风天气下系泊缆张力频率成分分析

6．6 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介