基于现场监测的软刚臂失效分析与风险预警

摘要

作为边际油田开发系统中的重要装备，采用软刚臂固定FPSO(Floating ProcessStorage Offloading，浮式生产储油卸油装置)，被广泛应用于我国的渤海海域。软刚臂力学原理简单，但软刚臂存在的问题也十分突出:1.结构的复杂性。软刚臂作为多刚体结构，在实际运行中铰点承受很大的应力，增加了结构的风险性;2.结构的共振现象。由于解除了多个方向的约束，使压载舱和系泊腿之间形成了一个摆，当浮体运动周期与摆的周期比较接近时，就会产生共振现象;3.浅水效应问题。由于渤海水深较浅，存在浅水效应的问题，导致系泊分析的不确定性;4.环境的复杂性。渤海海域冬季有较长的冰期，在季风气候下，环境的突发性也比较显著。以上这些问题都成为软刚臂的设计与运行中安全管理的难点。
　　传统的软刚臂设计方法没有明确动力问题的处理方式:广泛采用的理论分析、数值模拟和水池实验，风浪流荷载仅在几个方向作用在结构上，忽略了海洋环境在空间状态下复杂的动力特性。同时，传统的设计方法不仅存在缩比的问题，且不能实现FPSO与软刚臂之间的共振和由风标效应引起的FPSO甩尾现象。
　　本文基于传统设计方法中存在的不足，依托“十一五”和“十二五”国家科技重大专项子课题“深水浮式平台监测技术研究”，国家重点基础研究发展规划(973)项目(2011CB013705)，开展面向设计评价的渤海软刚臂现场监测技术。并基于现场监测，对软刚臂在实际中主要存在的三种失效模式，以及软刚臂风险预警等问题，展开了一系列的分析和评价，为渤海软刚臂设计提供了相关的理论、方法与技术支持。本文主要的工作概括如下:
　　(1)浅水软刚臂监测系统设计与验证
　　根据浅水软刚臂单点系泊形式的特点，设计了监测方案，包括:环境荷载监测系统、浮体运动监测系统、软刚臂姿态受力监测系统和软刚臂铰点监测系统四个部分。在此基础上研发了C++集成分析系统，获得了长期连续的数据，并对VPN(Virtual PrivateNetwork，虚拟专用网络)与数据库技术在该原型测量的应用做了概括性的介绍。通过对原型测量中几组冗余量的对比，验证了原型测量系统的正确性。基于软刚臂的原型测量系统，评价了软刚臂系泊船体的水动力设计参数。
　　(2)软刚臂极端抗力失效的方法分析
　　为了减小极端抗力带来的损失，发展了基于多刚体动力学的软刚臂系泊力计算分析方法，建立了求解软刚臂单点系泊系统在风、浪、流作用下的水平系泊力动力方程。通过现场实测姿态信息与FBG（Fibre Bragg Grating，光纤光栅）应变传感器对比，以及与静力法对比，验证了动力方程的正确性，实现了系泊力的冗余测量。
　　(3)共振引起的软刚臂疲劳失效分析
　　在实测中发现船体横摇能够对软刚臂横摆进行强迫振动，尤其是在特定的吃水、装载配比及来浪方向下，船体的横摇与软刚臂横摆固有频率一致，共振现象明显。通过雨流法对软刚臂横摆现象的长期统计分析，对设计进行了评价。为了降低共振所带来的风险，通过对软刚臂TLD（Tune Liquid Damper，调谐液体阻尼器）模型减振实验的研究，提出了共振减振策略。
　　(4)软刚臂运动域失效问题分析
　　基于原型测量，研究了以下两方面的内容:1）FPSO尾甩现象的研究。讨论了该海域海流的特点，并对一年尾甩次数进行了统计分析。针对尾甩对系泊系统的失效模式及内部力学性能影响，建立了软刚臂有限元数值模型，进行了初步的讨论;2）系泊腿上铰点的分析评价。针对友谊号FPSO，通过处理该铰节点的监测数据，分析了上铰点的损伤程度。
　　(5)风险预警管理方法的建立
　　基于软刚臂实测的长期数据统计分析，对软刚臂存在的风险进行识别，在此基础上构建了软刚臂风险因素递进层次结构体系。以软刚臂过载失效为例，建立了软刚臂水平恢复力概率分布模型，分析了软刚臂在服役期间过载可能发生的概率，对过载失效发生的概率进行了评价。判断了该种失效模式的可能发生的概率和后果等级。提出了通过RBF的神经网络方法预报水平恢复力，成果成功运用到了渤海某软刚臂的预报。
　　最后对本文工作进行了总结以及展望。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．2 系泊结构发展概述

1．2．1 单点系泊系统

1．2．2 多点系泊系统

1．2．3 动力定位系统

1．3 水上软刚臂系泊原理

1．3．1 刚度特性

1．3．2 结构特性

1．3．3 多刚体特性

1．4 软刚臂结构设计的主要问题

1．4．1 软刚臂设计方法现状

1．4．2 软刚臂原型测量的必要性及难点

1．5 软刚臂的研究现状

1．5．1 FPSO浅水动力问题的研究

1．5．2 FPSO预报相关问题的研究

1．5．3 软刚臂结构相关问题的研究

1．5．4 软刚臂风险评估问题的研究

1．6 海洋工程结构现场测量的研究现状

1．6．1 寒区海洋工程结构原型测量

1．6．2 深海海洋工程结构原型测量

1．7 本文主要工作

1．7．1 软刚臂现场监测系统的建立

1．7．2 软刚臂极端抗力失效的方法分析

1．7．3 共振引起的软刚臂疲劳失效分析

1．7．4 软刚臂运动域失效问题的分析

1．7．5 风险预警管理方法的建立

2 软刚臂原型测量方法研究

2．1 前言

2．2 现场原型测量系统设计

2．2．1 现场原型测量原理

2．2．2 坐标系定义

2．2．3 环境荷载监测系统

2．2．4 浮体响应监测系统

2．2．5 系泊系统力学行为及姿态监测系统

2．2．6 铰点监测系统

2．3 数据采集与集成技术

2．3．1 集成系统的建立

2．3．2 数据库与VPN技术

2．4 基于实测的原型测量系统验证

2．4．1 浮体运动响应系统验证

2．4．2 系泊力测量系统验证

2．5 基于实测的FPSO水动力响应评价

2．5．1 静水条件下纵荡阻尼

2．5．2 船体自由度的测量

2．6 本章小结

3 软刚臂极端抗力失效的方法分析

3．1 前言

3．2 软刚臂水平系泊力测量理论与实施

3．2．1 水平系泊力静力法分析

3．2．2 水平系泊力动力法分析

3．3 测量误差分析

3．3．1 基于静力响应的传感器测量精度

3．3．2 基于Kane动力法的传感器测量精度

3．4 实测数据分析

3．4．1 动力法计算结果与光纤实测结果对比

3．4．2 动力法计算结果与静力法计算结果对比

3．5 本章小结

4 共振引起的软刚臂疲劳失效问题

4．1 前言

4．2 软刚臂的共振分析

4．2．1 相位分析方法

4．2．2 软刚臂横摆原理

4．3 软刚臂共振疲劳寿命估算

4．3．1 疲劳寿命估算方法

4．3．2 “雨流”分析方法

4．3．3 应用实例

4．4 减少软刚臂共振疲劳措施

4．4．1 软刚臂动力吸振基本原理

4．4．2 基于TLD的软刚臂减振设计方法

4．4．3 软刚臂模型减振效果初步评价

4．5 本章小结

5 软刚臂运动域失效问题的分析

5．1 前言

5．2 FPSO甩尾问题研究

5．2．1 FPSO周边海域环境特征

5．2．2 甩尾现象机理分析

5．2．3 降低甩尾风险措施

5．3 系泊腿上铰点问题研究

5．3．1 上铰点破坏机理

5．3．2 室内标定测试

5．3．3 现场监测系统建立

5．3．4 现场监测数据分析

5．3．5 数据初步分析评价

5．4 本章小结

6 风险预警管理方法的建立

6．1 前言

6．2 风险评估基本理论和方法

6．2．1 风险评估基本理论

6．2．2 风险评估基本方法

6．3 软刚臂系统风险因素识别方法

6．4 软刚臂系统过载概率分析

6．4．1 软刚臂荷载分布类型

6．4．2 结构服役期内过载概率计算

6．5 软刚臂系统过载风险等级评定

6．5．1 软刚臂过载后果评估

6．5．2 软刚臂过载风险评定

6．6 基于过载的软刚臂预警技术

6．7 降低过载风险措施

6．8 本章小结

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

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介