基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的軟剛臂失效分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警.pdf

1、作為邊際油田開發(fā)系統(tǒng)中的重要裝備，采用軟剛臂固定FPSO(Floating ProcessStorage Offloading，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的渤海海域。軟剛臂力學(xué)原理簡(jiǎn)單，但軟剛臂存在的問題也十分突出:1.結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。軟剛臂作為多剛體結(jié)構(gòu)，在實(shí)際運(yùn)行中鉸點(diǎn)承受很大的應(yīng)力，增加了結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)性;2.結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象。由于解除了多個(gè)方向的約束，使壓載艙和系泊腿之間形成了一個(gè)擺，當(dāng)浮體運(yùn)動(dòng)周期與擺的周期比較接近時(shí)，就

2、會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象;3.淺水效應(yīng)問題。由于渤海水深較淺，存在淺水效應(yīng)的問題，導(dǎo)致系泊分析的不確定性;4.環(huán)境的復(fù)雜性。渤海海域冬季有較長(zhǎng)的冰期，在季風(fēng)氣候下，環(huán)境的突發(fā)性也比較顯著。以上這些問題都成為軟剛臂的設(shè)計(jì)與運(yùn)行中安全管理的難點(diǎn)。
　　傳統(tǒng)的軟剛臂設(shè)計(jì)方法沒有明確動(dòng)力問題的處理方式:廣泛采用的理論分析、數(shù)值模擬和水池實(shí)驗(yàn)，風(fēng)浪流荷載僅在幾個(gè)方向作用在結(jié)構(gòu)上，忽略了海洋環(huán)境在空間狀態(tài)下復(fù)雜的動(dòng)力特性。同時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不僅存在縮

3、比的問題，且不能實(shí)現(xiàn)FPSO與軟剛臂之間的共振和由風(fēng)標(biāo)效應(yīng)引起的FPSO甩尾現(xiàn)象。
　　本文基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的不足，依托“十一五”和“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“深水浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2011CB013705)，開展面向設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的渤海軟剛臂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。并基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)軟剛臂在實(shí)際中主要存在的三種失效模式，以及軟剛臂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等問題，展開了一系列的分析和評(píng)價(jià)，為渤海軟剛臂設(shè)計(jì)

4、提供了相關(guān)的理論、方法與技術(shù)支持。本文主要的工作概括如下:
　　(1)淺水軟剛臂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
　　根據(jù)淺水軟剛臂單點(diǎn)系泊形式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)方案，包括:環(huán)境荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、浮體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、軟剛臂姿態(tài)受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟剛臂鉸點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四個(gè)部分。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了C++集成分析系統(tǒng)，獲得了長(zhǎng)期連續(xù)的數(shù)據(jù)，并對(duì)VPN(Virtual PrivateNetwork，虛擬專用網(wǎng)絡(luò))與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在該原型測(cè)量的應(yīng)用做了概括性的介紹。通

5、過對(duì)原型測(cè)量中幾組冗余量的對(duì)比，驗(yàn)證了原型測(cè)量系統(tǒng)的正確性?；谲泟偙鄣脑蜏y(cè)量系統(tǒng)，評(píng)價(jià)了軟剛臂系泊船體的水動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　(2)軟剛臂極端抗力失效的方法分析
　　為了減小極端抗力帶來的損失，發(fā)展了基于多剛體動(dòng)力學(xué)的軟剛臂系泊力計(jì)算分析方法，建立了求解軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在風(fēng)、浪、流作用下的水平系泊力動(dòng)力方程。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)姿態(tài)信息與FBG（Fibre Bragg Grating，光纖光柵）應(yīng)變傳感器對(duì)比，以及與靜力法對(duì)比

6、，驗(yàn)證了動(dòng)力方程的正確性，實(shí)現(xiàn)了系泊力的冗余測(cè)量。
　　(3)共振引起的軟剛臂疲勞失效分析
　　在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)船體橫搖能夠?qū)泟偙蹤M擺進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)，尤其是在特定的吃水、裝載配比及來浪方向下，船體的橫搖與軟剛臂橫擺固有頻率一致，共振現(xiàn)象明顯。通過雨流法對(duì)軟剛臂橫擺現(xiàn)象的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。為了降低共振所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)軟剛臂TLD（Tune Liquid Damper，調(diào)諧液體阻尼器）模型減振實(shí)驗(yàn)的研究，提出了共振

7、減振策略。
　　(4)軟剛臂運(yùn)動(dòng)域失效問題分析
　　基于原型測(cè)量，研究了以下兩方面的內(nèi)容:1）FPSO尾甩現(xiàn)象的研究。討論了該海域海流的特點(diǎn)，并對(duì)一年尾甩次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)尾甩對(duì)系泊系統(tǒng)的失效模式及內(nèi)部力學(xué)性能影響，建立了軟剛臂有限元數(shù)值模型，進(jìn)行了初步的討論;2）系泊腿上鉸點(diǎn)的分析評(píng)價(jià)。針對(duì)友誼號(hào)FPSO，通過處理該鉸節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了上鉸點(diǎn)的損傷程度。
　　(5)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理方法的建立
　　基于軟剛