（固体力学专业论文）半潜式钻井平台极限强度及裂纹缺陷评估的研究.pdf

复旦大学博士后出站报告 摘要 半潜式钻井平台是海洋石油开发的关键设施之1 平台在加工建造过程中不可避免地存 在初始缺陷，在长期的生产过程中在海洋环境载荷作用下极易出现疲劳裂纹裂纹在结构服 役过程中对环境载荷作用极为敏感，往往引起应力集电进而促进裂纹扩展直至结构最终失 效如何评价现役海洋平台存在的各种裂纹对结构安全的影响一直是学术界面临的一大难题 本文以南海五号半潜式平台为研究对象，基于合于使用原则，采用a b a q u s 软件，在 b s 7 9 1 0 等规范的基础上，对含裂纹平台结构进行分析评定，确定裂纹的拒收和接受同时对 椭圆形表面裂纹前沿应力强度因子的分布规律，以及在极端环境条件下裂纹的极限尺寸进 行研究，为含裂纹平台安全评价提供了一种科学方法。 本研究报告以实际工程项目为依托，围绕着半潜式钻井平台的延寿评估，将有限元建 模波浪载荷的计算整体结构分析局部应力评估裂纹断裂评价有机结合为一体本研究报告通 过了海洋工程的权威机构挪威船级社d n v 的审核。 本研究主要工作如下： 根据d n v 规范，并利用高级有限元软件a b a q u s 对南海五号半潜式平台建立了详尽 的有限元模型，研究了半潜式钻井平台运动流场非定常扰动势的定解条件，分别引入有限 水深和无限水深频域g r e e n 函数，应用源汇分布法对三维水动力系数和绕射势进行了求解， 研究了半潜式平台运动及波浪载荷的求解方法，并对波浪载荷进行了计算，对平台结构的 整体及局部应力状况进行了详细评估。 基于合于使用原则，应用断裂力学的理论和方法，开发了含缺陷平台结构e c a ( e n g i n e e r i n g c r i t i c a la s s e s s m e n t ) 评估软件，对探伤发现的裂纹的可接受性进行了e e a 评估，得到了裂纹可接受的临界尺寸，解决了大型工程结构裂纹评价的工程问题，具有重 要的工程应用价值研究成果不仅可以应用于半潜式平台的裂纹评估，而且可以应用于固定 式、自升式平台以及海底管线的裂纹评估。 本研究利用a b a q u $ 软件强大的计算功能并将该软件首次应用于半潜式平台结构的评 估，主要解决了如下问题： ( 1 ) 大型工程结构的整体有限元分析与局部裂纹分析单元尺寸不协调性问题： ( 2 ) 给定结构形式以及工作条件、裂纹类型、尺寸大小，判断该裂纹是否可接受： ( 3 ) 给定结构形式、工作条件以及裂纹类型，确定该类裂纹的损伤容限( 最大允许尺寸) ； ( 4 ) 船俸表面的脉动压力响应计算中的实际船体的三维效应问题； ( 5 ) 三维波浪载荷的计算模块与结构有限元模型的协调匹配以及和a b a q u s 的接口问题。 关键词：e c a 评估裂纹有限元半潜式平台波浪载荷a b a q u s 复旦大学博士后出站报告 a b s t r a c t t h es e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r mi so n eo ft h em a i ni n s t a l l a t i o n sf o ro f f s h o r eo i l d e v e l o p m e n t c r a c k si nt h ep l a t f o r ma r ei n e v i t a b l ed u et of a b r i c a t i o na n de n v i r o n m e n t a l l o a d ss i n c ec r a c k sa r es e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t a ll o a d s ，t h e yw i l li n d u c es t r e s s c o n c e n t r a t i o na n dp r o p a g a t eu n t i lt h es t r u c t u r ef a i l u r et h ea s s e s s m e n to ft h ei n f l u e n c eo f t h ee x i s t i n gc r a c k si nt h ep l a t f o r ms t r u c t u r e sh a sb e e na na c a d e m i cd i f f i c u l t yf o rd e c a d e s as e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r ms e r v i c i n gi ns o u t hc h i n as e ai su s e df o rt h ea n a l y s i si nt h i s p a p e r b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f “f i tf o rs e r v i c e ”a n db s7 9 10 ，t h ec r a c k e dp l a t f o r mi s a s s e s s e da n da n a l y z e db yu s i n ga b a q u s f o c u s i n go nt h ea c c e p t a n c eo ft h ec r a c kt h e d i s t r i b u t i o no ft h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro ft h ee l l i p t i c a is u r f a c ec r a c kf r o n ta n dt h e a l l o w a b l em a x i m u md i m e n s i o no ft h ec r a c ka r es t u d i e di nt h i sp a p e rt h ef o c u so ft h i s p a p e ri st op r o v i d eam e t h o df o rs a f e t ye v a l u a t i o no ft h ec r a c k e dp l a t f o r m t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l w a v el o a d sc a l c u l a t i o n ，t h eg l o b a ls t r e s sa n a l y s i s ，l o c a l s t r e s sa n dc r a c kf r a c t u r ea s s e s s m e n ta r ei n t e g r a t e di n t ot h el i f ee v a l u a t i o no ft h e s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ，w h i c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oc n o o ce n g i n e e r i n g p r o j e c tt h i sr e p o r th a sp a s s e dd n v sa p p r o v a l t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： a c c o r d i n gt o ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fn a n h a i5i se s t a b l i s h e db yu s i n ga b a q u s t h e d e t e r m i n i s t i cs o l u t i o nc o n d i t i o n s o fn o nc o n s t a n t p e r t u r b a t i o np o t e n t i a l f o r s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r mm o t i o nf l o wf i e l da r ei n v e s t i g a t e d t h eg r e e nf u n c t i o no f s h a l l o wa n dd e e pw a t e ri si n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y t h e3 - dh y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n ta n d d i f f r a c t i o np o t e n t i a la r es o l v e db ys i n k - s o u r c et h e or y t h em o t i o na n dw a v el o a d so nt h e s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r ma r ei n v e s t i g a t e da n dc a l c u l a t e d t h eo v e r a l ls t r e s ss t a t eo ft h e p l a 怕r ma n dl o c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni se v a l u a t e dc o m p r e h e n s i v e l y b a s e do n “f i tf o rs e r v i c e a n d “t h e o r yo ff r a c t u r em e c h a n i c ”as p e c i f i cp r o g r a mi s d e v e l o p e dt oa s s e s st h ec r a c k e dp l a t f o r m t h ea c c e p t a b i l i t ya n dt h em a x i m u ma l l o w a b l e d i m e n s i o no ft h ed e t e c t e dc r a c ka r ed e t e r m i n e db ye n g i n e e r i n gc r i t i c a la s s e s s m e n t ( e c a ) m e t h o d t h ep r o b l e mo ft h ec r a c ka s s e s s m e n tf o rl a r g es c a l es t r u c t u r e si ss o l v e d t h e a c h i e v e m e n ti sn o to n l ya p p l i e dt ot h es e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ，b u ta l s oc a nb eu s e di n t h ec r a c ka s s e s s m e n to nj a c k u p ，f i x e dp l a t f o r ma n ds u b s e ap i p e l i n e s t h em a i np r o b l e m ss o l v e di nt h i sr e p o r ta r ea sf o l l o w ： 1 ) t h eu n m a t c ho ft h ee l e m e n td i m e n s i o no fl o c a lc r a c k sa n de l e m e n t so fl a r g e s c a l es t r u c t u r ef o rg l o b a lf e a ( 2 ) t h ea c c e p t a b i l i t y o fc r a c ku n d e rs p e c i 能s t r u c t u r a la n dc r a c kt y p e ，g i v e n 复旦大学博士后出站报告 d i m e n s i o na n dd e f i n i t es e r v i c ec o n d i t i o n s ( 3 ) t h em a x i m u ma l l o w a b l e c r a c kd i m e n s i o n s ( d a m a g el i m i t ) u n d e rd e f i n i t e s t r u c t u r a la n dc r a c kt y p e g i v e ns e w i c ec o n d i t i o n s ( 4 ) t h ep r o b l e mo ft h e3 - de f f e c to ft h ep o n t o o n so nt h ec a l c u l a t i o no fp u l s a t i n gp r e s s r e s p o n s e sa l o n gp o n t o o ns u r f a c e ( 5 ) t h em a t c hp r o b l e mb e t w e e nw a v el o a d sc a l c u l a t i o nm o d u l ea n dt h ef e s t r u c t u r em o d e la n dt h ei n t e r f a c ep r o b l e mb e t w e e nt h ed e v e l o p e dw a v el o a d sp r o g r a m a n da b a q u s k e yw o r d s ：e o aa s s e s s m e n t c r a c k ，f in i t ee i e m e n tm e t h o d s e m i - s u b m e r s i b i ep i a t f o r m w a v elo a d s a b a o u s 南海五号半潜式钻并平台实景照片 复旦大学博士后研究工作报告 第一章 绪论 第一章 复旦大学博士后研究工作报告 1 研究背景 石油“工业的血液”、“黑色的金子”，作为国民经济发展的重要能源，从长远和全 球的观点来看，所谓“能源问题”，确切的说就是“石油问题”。我国尽管幅员辽阔的大地 上蕴藏着丰富的自然资源，却由于人口众多，消费需求量大，内陆油田的开采量根本不能 满足工农业发展的需要。因此，大力发展海洋石油工业是解决我国能源紧缺问题的出路之 一，向海洋要石油是今后较长时间发展的必然趋势。海洋平台作为开发海上石油的关键设 施，能否安全作业，对于海洋石油的开采是极其关键的。同时，对于维护社会的稳定、保 证国民经济的稳定快速发展具有重要的经济及政治意义。 由于冶金、制造、环境条件及使用中的诸多原因，海洋平台结构在服役过程中通常会产 生多种形式的缺陷。缺陷的存在除造成结构的不完整外，往往还加速结构失效，成为导致结 构发生重大灾难性工程安全事故的根源，给人民的生命财产安全造成不可估量的损失。因此， 评价含缺陷结构的安全性具有非常重要的现实意义。这一课题也成为2 0 世纪末国际工程界 十分关注的问题。 经过几十年的发展，中国海洋石油总公司己具备足够的实力独立完成各项海上采油工 程项目。尤其在平台建造、铺设海底油、气输送管线方面的能力日益加强，生产规模也不 断扩大。然而，海洋平台是典型的焊接结构，各种缺陷和变形同样在生产过程及服役过程 中不可避免。更为严重的是这类结构通常处于复杂的受力环境和恶劣的腐蚀性环境中，平 台结构除承受重力、各种压力等静态力外，还要承受机械振动、海水反复冲击等动态力， 更要承受台风、地震等不可预知的外力，大气腐蚀、海水腐蚀等不仅会加剧已有的缺陷和 变形，还可能产生附加的诸如疲劳裂纹、各种腐蚀裂纹等缺陷。可见，这类结构中若存在 缺陷，受力和服役环境会使缺陷不断加深和扩展直至平台整体失效，甚至断裂事故，造成 生命财产的巨大损失和海洋环境的重大污染。因此，为保证工程质量和结构的安全经济运 行，对含缺陷平台结构的安全性加以正确评价是非常必要的川。 然而，我国目前尚无专用于海洋平台结构缺陷评估的标准，因此在这方面所做的工作 也很少。多年来，中国海洋石油工程股份有限公司的工程缺陷评估工作一直出挪威船级社 d n v 来完成。然而，随着中国海洋石油总公司的不断发展壮大，承揽工程项目的数量增加、 范围扩大，若一味委托d n v 进行e c a 评估，不仅费用昂贵，且极不便利。安全评估技术 的欠缺越来越成为制约企业发展的瓶颈。有鉴于此，海洋石油工程公司特委托中国船级社 段梦兰研究员开发了一套海底管线缺陷e c a 评估软件，并在实际工程项目中得到了广泛的 应用。基于这一课题，考虑到海洋平台和海底管线是相似的焊接结构，因此，进步开展 第一章3 复旦大学博士后研究工作报告 了含缺陷海洋平台结构的工程评估研究。 2 。舍缺陷结构完整性评定的发展现状 国际上广泛地将缺陷评定及安全评定称之为完整性评定或“合于使用”评定。合于使 用原则首先由英国焊接研究所( t v v l ) 提出，该原则与“完整结构”在概念上的区别是它 明确承认结构存在构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性。但它又是建立于诸如断裂力 学、材料试验、应力分析、质量检查或无损探伤等科学方法基础之上的。“合于使用”原 则要充分保证所制造的结构不发生己知机制如脆性破坏、疲劳失效、应力腐蚀的失效事故。 因此该原则为结构的设计、制造和操作提供了一个有效的手段。随着人们对缺陷研究的不 断深入，基于“合于使用”原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定规程( 或 方法) 应用而生，并越来越走向成熟。在一些国家的组织中已建立了用于焊接结构设计、 制造和验收的标准。例如英国焊接研究所提出的焊接缺陷安全评定的p d - 6 4 9 3 8 9 “，英国 中央电力局( c e g b ) 的“有缺陷结构的完整性评定标准”r h r 6 r e v ，日本焊接协会提出 的w e s - 2 8 0 5 k ，德国g k s s 焊接研究所提出的e f a m e t a 4 一m m 一9 0 方法，国际焊接学会的“关 于在设计、制造和检验中应用工程临界评定方法”对焊接产品进行“合于使用评定的 i i w i s s s t 一】1 5 7 9 0 ”，以及我国压力容器协会为首提出的c v d a 一8 4 和不久前重新编制 的s a p v 等。这些规范或标准在国际、国内已经得到了相当广泛的应用。 随着科学技术的不断发展和实践经验的积累，各国的缺陷评定标准不断更新，如德国 c k s s 研究中心1 9 9 1 年发表了e f a me t m 的工程缺陷评定方法，法国在其“核电厂部件 在役检验规则”( r s e mc o d e ) 的第五章中给出了“缺陷评定方法”，1 9 9 6 年瑞典又给 出了“带裂纹构件安全评定规程( 手册) s a f o u r e p o r t 的修订版”。尤其引人关注的是近 年来欧美安全评定规范的发展中的两件标志性事件。一是1 9 9 6 年在欧洲共同体资助下由共 同体1 0 余个焊接研究机构和学校在r 6 和e f a t e t m m m 一9 0 方法基础上丌展的、计划在共同 体国家内应用的标准“结构完整性评定方法”即s i n t a p ，已于2 0 0 0 年发表并已形成了 一个未来欧洲统一标准的草稿。由于英国r 6 、p d6 4 9 3 、德国的c k s s 及瑞典技术中心都 是s i n t a p 研究的核心成员，s i n t a p 也是他们共同参与研究后形成的共识。与此同时，鉴 于s i n t a p 不久将要成为欧洲的统一标准r 6 于2 0 0 1 年颁布了他的全新版( 第4 版) ： p d6 4 9 3 于2 0 0 0 年颁布了他的修订版，但代号已改为b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 ，取消了p d 代号而 正式列入正规的英国标准。第二件事是美国石油学会于2 0 0 0 年颁布了针对在役石油化工设 备的合于使用评定标准a p i5 7 9 ，在内容上具有鲜明特色，反映了结构完整性，评定技术研 究范围有了很大拓宽。 第一章4 复旦大学博士后研究工作报告 我国在锅炉、压力容器及压力管道等结构的完整性评定方面做了大量工作，然而早期在 缺陷等级评定方面所做的工作情况不尽人意，存在各种问题。具体体现在： ( 1 ) 规范标准不统一。检测标准尚未国际化，都是由国家、地区或部门制定，不同的标 准在缺陷定量及评定方法上都有差别，如超声波探伤，有的标准采用长横孔进行灵敏度调节， 有的标准则采用短横孔或柱孔进行灵敏度调节，不同的反射体反射当量均各有差异。在定量 上，不同标准对同一级别规定的允许缺陷数量亦不相同。造成这种现象，一方面是因为标准 的制定没有建立在一个统一的试验和理论分析基础上，另方面则是因为检测技术上认识不 统一造成的检测方法不统一。缺陷检测标准的不统一，不便于国际间的交流及产品质量的相 互认可。 ( 2 1 标准的人为因素。焊接中产生的缺陷对材料的性能会发生很大影响，其影响程度随 着缺陷的性质、大小、位置、厚度的不同而不同。但现行标准对缺陷等级评定并不能实际地 反映这些特点，却带着明显的人为因素。如射线探伤对点状缺陷等级评定，规定不同级别允 许缺陷点数随工件壁厚成几何级数变化，显然这不是缺陷大小对产品危害程度的体现，而是 工作中记忆方便的数学规律，是人为加上去的。 ( 3 ) 缺陷等级评定只注重缺陷的平面大小、长度而忽视了高度和深度。没有考虑缺陷对 不同材质的不同影响，在焊接检测标准中，对同一类材料不同材质的产品，在缺陷的定级上 采用了同一种标准。 ( 4 ) 缺陷检测的局部性造成漏检，缺陷返修的严格性使得稍有缺陷就早早被淘汰而造成 巨大浪费。追其原因，由于科学技术发展的局限，以前的缺陷等级评定都采用置信度和安全 裕度较大的评定规范。不论缺陷的位置和被检产品的材质，一律按最严格的要求处理，以确 保安全。近年来，尽管人们对缺陷在不同情况下的危害程度有了比较全面的认识，但由于构 件本身要求提高了，制造难度加大，使用条件苛刻，人们出于保险起见就难于越过“越严越 好”的传统观念。另外，尽管近年来无损检测学术研究十分活跃，但人们热衷于提高检测水 平、更新设备、完善手段、提高检测灵敏度。对缺陷等级评定的研究却十分冷淡。缺陷检测 标准的更新主要是工艺要求的变动，缺陷等级评定却始终如一或变动不大，缺陷等级评定发 展的进程落后于工艺发展的进程。 近十几年来，改革开放政策促进了我国与国际上同行业间在经验、技术等方面交流与合 作，尤其为应对加入w t o 以后所要面临的各种挑战，与国际接轨乃当务之急。受国外几大 知名行业标准的影响，我国不少专家学者在结构完整性评定方面作了不懈的努力，其中，中 国船级社在海底管线的检测监测和安全评估研究方面，提出了管道危险源评价、危险性缺陷 检测、安全状况等级划分、管系内力计算与塑性极限载荷分析、含缺陷管道e c a 评定等多 第一章 5 复旦大学博士后研究工作报告 项关键技术、方法和标准，并开发出专用评估软件，解决了长期困扰企业海底管道安全管理 和政府安全监察的技术难题，研究成果已经在中国海洋石油总公司进行了成功的应用，在确 保安全的前提下，取得了重大的经济和社会效益n 3 老龄平台为什么需要安全评估。 老龄平台是指超过一定使用年限、存在不同程度的损伤破坏、业主关心其继续作业的 能力和使用寿命的平台。这些平台由于长期在恶劣的海洋环境中作业，受到不同海洋环境 载荷的作用( 主要来自风、浪、流、冰和地震) ，不可避免地产生各种损伤破坏，从而降低 了平台承受外载的能力，甚至威胁着平台在这些环境中的作业安全，因此，平台继续作业 的安全可靠性就成为业主十分关心的问题。 ( 1 ) 现代破坏力学关于海洋工程结构失效的观点 自从力学从物理学分离出来以后，其理论和工程应用均取得了巨大的发展。对于工程 结构，从运动学、动力学到材料力学，从结构力学、弹性体力学到塑性失稳、疲劳、断裂 与损伤力学，力学促进了2 1 世纪科学技术的迅猛发展。关于结构的破坏，人们认为是由于 外载荷产生的结构应力超过了材料允许的强度极限，如屈服应力而发生的，因而在结构设 计时提出了许用应力的设计方法。然而，经过几次重大事故如平台沉没、铁轨桥梁断裂、 油罐爆炸等，人们发现在外载荷远远没有达到使构件屈服的极限载荷时仍然发生结构失效 后，开展了大量结构破坏原因的分析和研究。现代破坏力学认为，结构失效的方式主要有：( a ) 过大的载荷使薄弱部位( 包括诸如受到严重腐蚀的部位) 的应力超过材料的屈服应力，即 发生传统的强度破坏，这种破坏包括外载环境恒定而由于有效承载截面减小使截面应力达 到和超过屈服应力导致的构件失效；( b ) 结构的内部应力并未达到材料的屈服应力值，但 是结构整体出现失稳的现象，即偏离了平衡位置( 如变弯、塌陷等) ，承载能力大大下降甚 至丧失，这种失效称为结构的屈曲：( c ) 构件受到交变载荷的作用，即使最大应力远小于屈 服应力，均会导致构件出现疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展晟后使构件失效，这种疲劳与损伤累 积的低应力失效被认为是现代结构破坏的主要方式，占构件破坏的80 以上；( c 1 ) 由于低 温和其它环境的影响，材料韧性降低，这时候很容易出现低温脆断事故。 对于海洋结构，人们分析了大量实例，如北海亚历山大号平台，我国的老渤海二号平 台等，认为：由于海洋结构出于安全的考虑，设计、制造均要求取足够的余量，安全系数 比其它结构均取得大些，即在计入最极限外载条件的前提下其一般强度均有足够的保证， 因此结构的失效是由于波浪( 海冰或地震) 的循环交互作用使构件产生疲劳，初始焊接缺 陷很容易成为疲劳裂纹源，在海水等腐蚀环境中这种疲劳裂纹更加得到扩展，当裂纹扩展 第一章6 复旦大学博士后研究工作报告 到一定极限时裂纹失稳快速扩展，最后断裂pj 。 ( 2 ) 老龄平台设计制造时认识和技术局限性 老龄平台一般指l5 年以上的平台。我国的很多钻井平台设计于70 年代初，建造、 投产于70 年中后期。作强度设计时采用的是许用应力法，即取一定的安全系数，使构件 的应力水平不会超过材料的屈服强度。今天的结构，除了按许用应力设计外还要作疲劳设 计或疲劳校核，要求更高的结构，还要进行断裂分析及各种损伤与可靠性评价。其次，结 构是置身于自然环境中的个整体，对它的分析不能只是针对结构本身的局部分析。海上 钻井平台是一个宠大复杂的结构，70 年代受设计计算技术所限，有限元技术还在发展之 中，计算机的水平也较低，更没有大型结构计算软件，这就使得70 年代的平台其设训计 算结果的精度和可靠性受到技术发展的影响，所以今天就有必要对20 年前的作法和结果 进行校核。 ( 3 ) 8d 年代中后期，人们提出并逐渐重视对在役结构的监测和结构再分析。 对长期作业的海上平台除了受到环境载荷的交变作用发生疲劳损伤和出现疲劳裂纹 外，还受到海水腐蚀和海生物的作用，同时还有靠船碰撞等偶然损伤发生，这些损伤不可 避免地威胁着平台的安全和影响着作业年限。这些损伤就如埋在结构内部的定时炸弹，不 知什么时候会突然爆炸。因此，对老龄平台，国内外都加强了对它们的状态监控和经常性 的结构评估。中国海洋石油总公司对大部分超龄服役的平台进行了结构的重分析，对保证 平台的安全作业起了积极的作用。 ( 4 ) 平台设计制造时只可能考虑某一个典型、特定的作业环境。而实际上平台的作业基 本上是根据业主的要求和需要来决定的，不可能一啻固定在设计时的海域。作为移动平台， 其作业的海域是广泛的，即使同一海域，根据不同的地质条件和钻井要求，其作业状况也 是有区别的，因此，其平台的使用条件变化和损伤状况不是设计时所能估计到的，必须依 据平台的实际作业位置与作业历史才能确定现有的损伤程度。所以必须对平台目前的状况 进行分析评价。 ( 5 ) 海上平台的损坏应急评价的需要 由于钻井平台作业过程中的固定性，即平台在完钻前不能离开井位，因此，一旦结构 意外受损，需要决定( a ) 平台要不要撤离，其带损继续作业的安全可靠性：( b ) 采取什么样的 应急措施能保证平台安全作业，措施效果需要进行评价。所以，平台应急评价是平台应急 措施和决策的需要。而应急评价需要结构安全评估作为计算依据。 ( 6 ) 平台未来作业计划的依据 作为承包商，业主对平台今后的作业计划是根据平台状况和市场需要来制订的，对那 第一章7 复旦大学博士后研究工作报告 些接近或超出平台操船手册规定的海域，业主担心其作业的安全可靠性。其次，业主希望 所属的海洋平台有最长的使用年限，那么平台在什么样的环境条件下具有最长的使用期， 就必须通过安全评价才能得出定量的结论。所以在保证安全的前提下最大限度地发挥平台 的作用，将取得意想不到的经济效益和社会效益。 ( 7 ) 完善、充实和修改操船手册的需要 平台的操船手册是设计时制订的，由于受设计时的条件所限，平台作业这么长时间后， 平台本身的状况发生了不小的变化，不仅存在各种损伤，有的平台还经过多次不同程度的 修理和改造，所以原来的操作手册就难以满足平台现在的现实要求，如现在平台的使用条 件与原设计时不同等。因此，为了提高平台的生存能力和安全使用管理，必须对原有操作 手册根据新的安全评估工作进行修改和补充。 南海五号平台评估的必要性 “南海五号”为中国南海地区著名的“p a c e s e t t e r ”型柱稳式半潜平台，主体结构包括： 两个浮箱、六个立柱( 左、右各三) 、连接左右浮箱及立柱的斜撑、工作甲板、生活模块。 平台作业已经达到设计年限( 3 0 年) ，海损、腐蚀、裂纹、海生物严重【2 】0 为保证此平台的 安全作业，最大限度地发挥它的潜力，面临着下述问题需要考虑： ( 1 ) 平台已经超过了它的设计使用期，根据我国海洋石油开采的需要和我国海洋石油钻 井平台的现状，短期内不可能将南海五号退役报废，必须让它超期服役。平台现状能否安 全作业? ( 2 ) 20 多年来平台受到了哪些方面的损伤? 平台的损伤与腐蚀的现状如何? 它们对 平台的安全作业有什么影响? 影响的程度如何( 需要定量回答) ? 本报告主要根据d n v 规范对平台主体结构构件在极端海况、作业、迁航条件下的应力 状态进行分析，为业主的平台维护、安全作业提供有价值的参考。同时对平台结构存在的 典型裂纹，依据断裂力学的方法和理论，对其进行e c a 评估，判定其是否许可存在。 5 本文主要内容 在广泛查阅大量科技文献资料的基础上，收集并整理了国内外有关海洋平台结构强度 评估、结构完整性评定标准，尤其是d n v 标准与b s 7 9 1 0 。在熟练掌握标准中针对强度评 估与结构缺陷的各种条件下的评定规程和要求的前提下，对南海五号半潜式平台的设计、 腐蚀现状、表面裂纹进行了评估。 第一章8 复旦大学博士后研究工作报告 本研究工作报告分为八章内容： 第一章绪论：主要介绍了研究背景和与研究相关的技术现状。包括国内外比较知名的 结构完整性评定标准及其发展概况，国内结构完整性评价的现状。 第二章南海五号平台结构的模拟：根掘该平台结构的完工图纸，利用a b a q u s 软件 建立了详尽的有限元模型。并对材料属性、边界条件等进行了专门处理。 第三章载荷及载荷工况：对固定载荷、可变载荷以及各种载荷的最不利组合进行分析。 第四章波浪载荷的计算：应用源汇分布法对三维水动力系数和绕射势进行了求解，并 对平台结构在各工况条件下的波浪载荷进行了计算。 第五章平台结构的强度评估：对南海五号平台结构在自存、作业、迁航状态下的2 2 种不利工况进行了系统全面的应力分析。 第六章腐蚀现状评估：基于现场测厚报告，对南海五号平台结构的腐蚀现状进行了评 估，研究了板材腐蚀对结构强度的影响。 第七章裂纹断裂e c a 评估：针对现场探伤发现的表面裂纹，基于断裂力学的理论和 方法，在前面几章工作的基础上对裂纹进行了e c a 断裂评估，并得到了裂纹允许存在的极 限尺寸。 第八章结论：总结全文，并做出结论。 第一章 9 复旦大学博士后出站报告 第二章 南海五号平台结构的模拟 第二章 复旦大学博士后出站报告 1 南海五号平台结构概述 南海五号半潜式钻井平台结构复杂，主尺度较大，建模困难。如何利用有限元方法真 实、可靠的模拟平台结构是进行后续工作的基础。同时在建模时还要考虑浮体边界条件( 平 衡问题) 、自重、波浪载荷的作用( 波浪载荷接口问题、单元精度问题) 、裂纹e c a 评估的 要求( 断裂力学问题) 。平台为典型的空间板梁结构，需要对加强筋与板材的偏心问题进行 特殊处理以保证模型与真实结构的一致性( 加强筋、肋的偏心问题) 。目前，通用的海洋工 程结构评估软件有s a c s 、s t r u c a d ，但这两种软件主要适用于细长杆件结构，如固定 式平台1 1 。对于半潜式平台结构，上述软件具有一定的局限性，主要体现在波浪载荷的计 算与施加、裂纹问题的处理等方面。本研究利用a b a q u s 软件强大的计算功能与较强的适 应性建立有限元模型并进行计算分析。对平台水线以下部分建模时还要考虑到波浪载荷计 算的要求与波浪载荷的施加。 1 1 平台结构主尺寸 南海五号平台结构主尺寸见表2 1 。 表2 1 南海五号平台结构主尺寸 1 1 , 1 2 】 平台结构主尺寸米( m )英尺( f t ) 平台总长9 23 5 03 0 3 0 0 平台型宽6 80 0 02 2 3 0 0 前、后立柱中线间距 5 8 8 6 41 8 0 0 0 左、右弦立柱间距457201 5 0 o o 管道对场甲板中心高度 3 8 6 3 41 2 57 5 2 p i p er a c kd e c k s t b d p o r t 3 84 4 01 2 6 1 1 5 生活模块顶层高度 3 99 0 4 3 0 9 1 9 主甲板标高3 36 0 41 1 02 4 9 作业状态最大吃水2 33 8 07 67 0 6 浮箱型高7 6 2 0 2 50 0 8 浮箱型宽1 52 4 05 00 0 0 浮箱舭部半径1 5 2 45 0 0 0 最大立柱的直径1 11 2 53 65 0 0 最小立柱的直径 9 7 5 43 20 0 0 1 2 主甲板 主甲板由六个立柱支撑，立柱与甲板之间通过三个横向箱型梁连接，同时每个箱型 梁又通过2 个斜撑在第7 、第2 5 、第4 3 站处与立柱相连。 主甲板有4 个纵桁分别位于左、右弦距中5 4 8 6 m 和2 2 8 6 0 m 处。距中5 4 8 6 m 处的 第二章 1 2 复旦大学博士后出站报告 两个纵桁为箱型结构，其上部为钻井结构及设备。其他两根纵桁与纵向支撵相连。间距为 3 0 4 8 m 的纵骨以及间距为o 6 3 0 m 的横粱构成了甲板的骨架。 为减轻结构重量，甲板的纵桁及强横梁采用了高强钢，以保证主要承载结构的强度。t 1 3 甲板上层建筑 上层建筑主要分为两个部分：生活楼和操作楼。 生活楼共两层，占用范围：从左弦距中2 2 8 6 0 m 处到右弦距中2 2 8 6 0 m 处，前后范围 为从3 8 站到4 7 站。里面有操舵室、发报室、医务室和船员宿舍。生活楼的地板为由纵骨 及横梁加强的板材构成，纵骨间距2 9 m ，横梁间距0 7 6 2 m 。生活楼的墙壁为由垂直骨材 加强的板材构成。 操作区占用空间为：生活楼至2 5 站之后o 6 1 0 m 处。 操作楼的顶板为钢板制成。同时咀纵骨和横粱加强。所有舱壁为钢板制造，同时以垂 直和水平骨材加强。 操作楼包括：仓库、压缩机室、b o p 控制室、发电室、电话交换机室、控制室、泵舱、 备用发电房、办公室等等。 泥浆振动筛位于工作甲板左弦后部的一个独立的舱室内。 直升机甲板的最大承载能力为2 0 吨，位于生活楼顶层右弦一侧。 1 4 管道堆场 管道堆场位于操作楼顶部右弦一侧，能排放3 1 根1 5 2 4 m 的管道。 1 5 钻台 钻台位于平台上层建筑的顶部中心位置。为一个四腿支撑的框架，钻台面积为60 9 6 m 6 0 9 6 m 。钻台为由横向骨材加强的板材构成。横向骨材由两根纵向的纵桁支撑。四根支 撑腿与纵桁相连接。 1 6 立柱 平台主甲板由矗立与浮箱上面的4 个大立柱与2 个小立柱支撑。船头与船尾处的立柱 为大立拄，位于7 站及4 3 站处。小立柱位于两个大立柱之间( 2 5 站处) 。立柱内部在浮箱 甲板与主甲板之间有两层环形水平加强筋板。 立柱右板材制作，内部有环形加强筋板，立柱直径分别为1 11 2 5 m ( 大立柱) 、9 7 5 4 m ( 小立柱) 。为保证平台在受到破坏时有足够的浮力，立柱内部被分割成若干具有水密性的 舱室。 为保证平台浮力，在左弦船头立柱和右弦船尾立柱的推进器舱内附加了若干水密箱。 大立柱内部预制成若干压载舱。立柱内部5 号加强筋至平台主甲板之间为存放压载水 的空舱室。 两根位于中间的立柱内部5 号加强筋至平台主甲板之间为油舱。左弦中间立柱5 号加 第二章 复旦大学博士后出站报告 强筋至1 2 号加强筋之间的舱室用于存放材油和钻探用水。右弦中间立柱同位置舱室用于存 放泥浆和钻探用水。右弦1 2 号加强筋与主甲板之间的舱室用于用于存放生活用淡水。左弦 同位置为空舱室。 1 7 浮箱 浮箱截面为矩形，舭部为圆角过渡。船头、船尾为流线型。浮箱内部被纵舱壁、横舱 壁分隔成1 9 个水密舱，用于存放燃料、钻探用水、压载水。位于船舯部位的两个舱室用于 存放泥浆及水泥。 浮箱底板、侧板及甲板均由纵骨和间距为15 2 4 m 的横梁加强。浮箱底板及上部甲板的 纵向骨材间距为0 4 8 8 m ，侧板骨材间距为o 5 0 8 m 。 1 8 管状斜撑 左弦与右弦的立柱通过管状斜撑相连接。在垂直平面内，斜撑为由一根水平撑( 连接 左右两个浮箱) 及两根斜撑( 连接浮箱及主甲板) 构成的三角形桁架结构。 另外平台左右弦部还有两个纵向桁架斜撑。起连接前、中、后三个立柱的作用。 第二章 复旦大学博士后出站报告 2 结构有限元模拟 2 1 几何模型 本研究使用高级有限元软件a b a q u s 对平台结构进行模拟。模型主要包括：6 个立柱、 2 个浮箱、3 个横向支撑、4 个水平k 型节点、4 个倾斜管支撑、6 个垂直的k 型节点以及 其他的一些基本结构。根据d n v r u l e s f o r c l a s s i f i c a t i o n 为保证分析结果的正确，模型至 少要包括下列首要结构和构件： 表2 2 有限元模型中需要包括的结构或构件 6 7 , 8 , 1 0 】 1 ) 浮箱 浮箱底板、侧板、上部甲板 纵舱壁及加强 横舱壁及加强 横向框架和纵向桁架 2 ) 立柱 板壳及加强结构 水平环向加强结构 水平甲板 纵向舱壁 3 ) 主甲板 主要承载梁及舱壁 次要梁 加强结构 板材 ( 4 ) 浮箱一立柱连接、立柱一甲板连接 结构连接的细节 ( 5 ) 立柱一斜撑连接 结构连接的细节 为保证分析结果的精确，严格按照南海五号平台结构图纸建立有限元模型。 2 2 结构材料 平台主要结构的材质为高强钢，材料性能如下 屈服强度( 唧) = 3 5 5 m p a ； 弹性模量( e ) = 2 1 1 0 5 m p a ， 第二章 1 5 复旦大学博士后出站报告 泊松比( v ) = o 3 密度( p ) = 7 8 x 1 0 3 k g m 3 2 3 结构偏心的处理 南海五号平台为典型的空间板梁结构。板材用壳单元模拟，加强筋用梁单元模拟。当 用壳单元以及梁单元模拟板加强筋结构时，壳单元的中性面与梁单元的中性轴公用一个节 点，导致有限元模型与实际结构的差异，如图2 1 所示。为解决这个问题，需要在a b a q u s 输入文件中使用o f f s e t 命令，将梁单元中性轴偏置，以使有限元模型与实际结构保持一 致。图2 1 为o f f s e t 命令使用前与使用后的效果对比。 c a ) s a r n en o d eu s e df e r s h e l ia n db e a me l e m e n t s 图2 1o f f s e t 命令使用前后的对比 ( b ) 2 4 边界条件 边界条件包括载荷边界条件和位移边界条件。由于涉及在不同工况下平台结构重心的 调整、甲板以及舱室静载和活载的分布、波浪载荷的计算等，因此，对本研究而言载荷边 界条件更为重要也更难确定。本研究中，波浪载荷的计算根据三维衍射理论进行。 为了避免三维结构模型的刚体位移，按图2 2 对平台的自由度进行约束 7 , 3 2 1 。 第二章 1 6 复旦大学博士后出站报告 图2 2 边界条件示意图 2 5 整体有限元模型 利用有限元软件将南海五号平台模拟成为空间板梁组合结构。 板材构件例如：外壳、舱壁、甲板、等等用4 节点或者3 节点壳单元模拟。平台骨架 包括：纵桁、纵骨、横梁、强横梁等加强结构用2 节点梁单元模拟。 平台结构模型的原点为：浮箱底板的对称中心。 x 轴为平台纵向，正向为船尾指向船头： y 轴为平台横向，正向为右弦指向左弦； z 轴为平台垂向，正向为向上方向。 南海五号平台结构几何模型及有限元模型见图2 3 - 2 2 2 。 2 5 1 南海五号平台结构整体模型 第二章 1 7 复旦大学博士后出站报告 图2 3 南海五号平台结构整体几何模型 图2 4 南海五号平台结构整体有限元模型 第二章 复旦大学博士后出站报告 2 5 2 主甲板及上层建筑 图2 。5 南海五号平台结构整体有限元模型 图2 6 主甲板、上层甲板及生活模块有限元模型 第二章 1 9 复旦大学博士后出站报告 2 5 3 生活模块 图2 7 上层建筑有限元模型 2 ，5 ，6 立柱 立柱完全按照结构图纸建模，甚至内部细节也给予了足够考虑