海上大型组块整体结构优化设计及安全评价

摘要

海洋油气开发综合平台是海洋石油天然气开发的基础性设施，在一定程度上代表了一个国家海洋油气开发的能力和水平。由于海洋环境条件十分恶劣，存在诸多的不确定性因素，加上海洋平台结构复杂体积庞大，平台组块在安装及服役期间如果平台结构由于恶劣环境载荷的作用而破坏，海洋平台的安全生产将无法得到保障。本论文以埕岛中心三号平台为研究依托，通过理论分析、数值模拟、模型实验、设计优化及安全风险分析等手段，对海上大型组块整体结构的荷载及强度、整体结构优化设计、浮托安装过程中的连接固件强度、浮托安装模型实验及安全评价等进行系统分析和研究。研究成果提升了国内滩浅海油田海洋平台大型组块结构优化设计及整体浮托安装技术水平，对大型组块结构优化设计及整体安装技术国产化具有重要意义和工程应用价值。 1、基于埕岛海域工况的海上大型组块结构载荷及强度分析 结合埕岛海域工况特点，在相关载荷理论分析的基础上，应用ANSYS软件建立了海洋平台整体结构有限元模型，对其进行了整体结构强度分析，满足平台结构安全运行要求，为海上大型组块整体结构优化设计提供工程指导。 2、海上大型组块整体结构优化设计 基于埕岛海域工况的海上大型组块整体结构载荷及强度分析，结合海洋平台优化设计理论，应用有限元分析软件ANSYS，采用“分步优化”方法，完成平台质量、构件尺寸等优化设计研究，得到安全经济的海洋平台结构。 3、海上大型组块整体浮托安装连接固件强度研究 通过分析驳船浮托运输及安装过程中的运动特性，采用SACS软件建立了组块浮托安装力学模型，得到运输过程中平台组块与驳船连接件的受力特征及影响因素，及其安装对接过程中桩腿缓冲连接件的性能及影响因素，为海上大型组块浮托安装连接固件及缓冲装置的安全设计及研制提供理论依据和指导。 4、海上大型组块整体浮托安装模型试验研究 浮托安装过程中由于受到浪、流和风的作用，整体结构将随着驳船一起运动，这对海洋平台组块整体结构安全性有着重大影响。为了满足海洋平台组块浮托安装过程中的安全要求，开展了模型试验研究，设计制作了海洋平台组块和驳船的模型，开展了静水试验和波浪试验，测试了浮托驳船和上部组块在各自由度上的运动情况及桩腿连接件受力情况，并对试验数据进行分析，为大型组块海上顺利、安全安装提供工程指导。 5、基于HAZOP方法的大型组块安全风险分析 海洋平台作业环境恶劣，组块整体浮托安装受海况影响大，存在多种威胁平台安装及系统安全生产的风险因素。应用HAZOP方法对大型组块整体浮托安装及生产系统的安全风险进行分析，给出较为全面的安全预防措施与建议，确保平台安装及生产运行中的安全。

目录

声明

创新点摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 海洋平台建设发展现状

1.2.2 海洋平台结构优化研究现状

1.2.3 海洋平台安全分析研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 技术路线图

第二章 基于埕岛海况的海上大型组块结构载荷及强度分析

2.1 埕岛海域环境条件

2.1.1 地理位置

2.1.2 环境基本状况

2.1.3 水文条件

2.2 海上大型组块整体结构载荷类型分析

2.2.1 基本荷载

2.2.2 环境荷载

2.3 海上大型组块整体结构强度分析

2.3.1 结构有限元模型

2.3.2 荷载条件

2.3.3 海洋平台整体结构静力分析

2.4 本章小结

第三章 海上大型组块整体结构优化设计

3.1 海洋平台优化设计理论

3.1.1 导管架平台结构优化

3.1.2 基于ANSYS的结构优化设计

3.1.3 导管架结构优化方法和步骤

3.2 海洋平台整体结构优化设计模型

3.2.1 目标函数

3.2.2 设计变量

3.2.3 状态变量及约束函数

3.2.4 导管架平台结构优化方法和分析过程

3.3 海上大型组块整体结构优化设计

3.3.1 优化分析

3.3.2 优化设计

3.4 本章小结

第四章 海上大型组块整体浮托安装连接固件强度研究

4.1 驳船浮托运输过程运动特性研究

4.1.1 驳船运动形式

4.1.2 驳船运动分析

4.1.3 驳船加速度分析

4.2 平台组块浮托运输过程中固件强度分析方法

4.2.1 平台组块浮托过程中固件强度分析原理

4.2.2 平台组块力学模型建立

4.3 平台组块浮托运输过程连接固件强度分析

4.3.1 固件端点力

4.3.2 固件端点弯矩

4.3.3 固件端点组合应力及剪应力

4.3.4 固件端点UC值

4.3.5 固件最大UC值

4.3.6 固件安全系数

4.4 平台组块浮托运输过程连接固件强度影响规律

4.4.1 外径对固件UC值及安全系数的影响

4.4.2 壁厚对固件UC值及安全系数的影响

4.5 平台组块浮托安装过程桩腿对接缓冲装置强度研究

4.5.1 对接缓冲系统简介

4.5.2 桩腿对接缓冲器有限元分析

4.6 本章小结

第五章 海上大型组块整体浮托安装模型试验研究

5.1 海上大型组块整体结构安装模型设计

5.1.1 相似理论

5.1.2 模型缩尺比确定

5.1.3 模型简化

5.1.4 试验水池

5.2 基于静水作用的海上大型组块整体浮托安装模型实验

5.2.1 无系泊系统的驳船静水试验

5.2.2 带有系泊系统的驳船静水试验

5.3 基于不规则波作用的海上大型组块整体浮托安装模型实验

5.3.1 驳船关键点的位移

5.3.2 船舷撞击力

5.3.3 系泊缆张力

5.3.4 桩尖垂直撞击力

5.3.5 试验结论

5.5 本章小结

第六章 基于HAZOP方法的大型组块安全风险分析

6.1 用于危险与可操作性分析的HAZOP方法理念

6.1.1 HAZOP分析方法的提出和目的

6.1.2 HAZOP分析方法的定义、原理和基本术语

6.1.3 HAZOP分析方法的步骤和流程

6.1.4 HAZOP分析方法的优势和适用范围

6.2基于HAZOP方法的大型组块安全风险分析

6.2.1埕岛三号平台应用现场工程概况

6.2.2 基于HAZOP方法的海上大型组块浮托安装安全风险分析

6.2.3 基于HAZOP方法的海上大型组块生产系统安全风险分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 建议以后的研究方向

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果