（固体力学专业论文）基于渤海石油平台的冰激振动监测及其应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 冰区石油天然气的开发给我们带来了丰富的能源，但同时海冰，这种高纬度海域存 在懿繇羲载赞，龟绘海上生产蠢 睾照带来戆缀大熬彩嫡。为诧人稍在海凉静秘疆力学毪 质，海冰与结构相互作用，海冰数值模拟和预报等方蕊进行了大鬣的研究工作。 海洋结构在海冰作用下的剧烈振动，是对结构本身和其上生产设备的较大威胁，同 辩也绘工佟人员靛生活耪痨傣毽康也豢袋缓大鲮危豢。冰激振动下平叁懿囊力镌痊是与 海冰类型、厚度、冰温、海冰流速、流向以及泳荷载的作用形式密切相关的。减少和防 止海冰灾害最有效的措施就是能对海冰的冰激力能做出准确，及时的报告。为此，工程 中迫切需要建立先进的海冰冰激振动测试系统，以便建立和确认海冰灾害预报模式，并 蕊对海球灾鬻嚣懿结稳墩诗疆供充分鸯零l 的铰摇。麓辩海球蕊灏怒海泳溶激振动潺试系 统重要组成部分，是海冰数值模拟和预报的基础，也鼹冰期海上生产中海冰管理的内容。 这其中，通过平台定点观测，可以获得比较详尽的海冰信息，为冰荷载分析、海冰数值 模熬露预缀鼹务。 本文对海冰冰激振动测试系统律了一个详尽韵介绍，并且对获得的数据进行了简要 的分析，最肠基于a n s y s ，对的海洋平台冰激振动作用下的动力响戚进行了有6 匿元分析， 并给出具体簿侧。 关鞋词；冰激振动；球厚舞球速；数瓣分辑；a n s y s 矜轿 茎王堂堂要塑兰鱼塑鲨堂篓鍪! 婴! 墨篓墨基壁望 s t i m u l a t e di c ef o r c ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n dm o n i t o ro n t h eo i lp l a t f o r mi nb o h a i b a y a b s t r a c t i tb r i n g sa b u n d a n te n e r g ys o 臻螂i nc o l ds e a so i la n dn a t u r a lg a se x p l o i t a t i o n , a t 瞧om e a n t i m e ，s e ai c e ，o n ek i n do f e n v i r o n m e n t a ll o a de x i t si nh i g hl a t i t u d e ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h eb 疆s y w o r ka n dp r o d u c t i o ni nt h es e a - i c ec o v e r e dr e g i o n s 。a sar e s u i al o to fr e s e a r c hh a s b e e nd o n eo nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs e a - i c ei t s e l f , i n t e r a c t i o nb e t w e e n s e ai c e a n do f f s h o r es t r u c a 船a n ds e ai c en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df o r e c a s tf o rs a t i s f i e dt h eo n g o i n g e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s o f f s h o r ep l a t f o r mv i b r a t e ss e v e r e l yu n d e rt h ec r a s h i n ga n di m p a c t i n go fs e ai c e ，w h i c hi sa m a i nd a n g e rt ot h es e c u r i t yo f t h ep r o d u c t i v ed e v i c e sa n dt h es t r u c t u r ei t s e l f , a l s oe n d a n g e r i n g t h eh e a l t ha n dn o r m a ll i v i i l go f t h es t a f f o b v i o u s l yt oe v a l u a t ee x a c ta n dt i m e l yf o r e c a s to f t h e s t i m u l a t e di c ef o r c ei sa 睦e f f e c t i v ew a yt od e c r e a s ea n d p r e v e n ts e a i c e 穗s a 髓e nt h e d y n a m i c r e s p o n s eo f t h ep l a t f o r mc a u s e db y s i m u l a t e ds e ai c ei sc l o s er e l a t e dw i t hi c et y p e , i c et h i c k n e s s ， i c e t e m p e r a t u r e a n dt h ed i r e c t i o na n d v e l o c i t yo f t h ei c ef l o w s o i ti sv e r yn e c e s s a r yt oe s t a b l i s h a na d v a n c e dm e a s m e m e n ts y s t e ma b o u tv i b r a t i o nc a u s e db ys i m u l a t e ds e ai c e ，w h i c hc a r t p r o v i d es o l i ds u p p o r c f o rs t r u c t u r a ld e s i g ni nc o l dr e g i o na n dt e l lt h em o d eo fs e ai c ed i s a s t e r h o w e v e r , s e ai c eo b s e r v a t i o n ，8 s o n eo ft h e 瓣p a r t so ft h es i m u l a t e ds e ai c ev i b r a t e s m e a s u r e m e n ts y s t e m ，i sn o to n l yt h eb a s eo f t h ei c en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df o r e c a s tb u ta l s o c o n t e n t so fs e ai c em a n a g e m e n ti nt h ei c ep e r i o d t h e r e f o r et h ep r o p e r t i e so fs e ai c ec a nb e o b t a i n e da tl a r g et h r o u g hf i x e do b s e r v a t i o no nt h ep l a t f o r mw h i c hc a ng a i nb e n e f i tf o ri c el o a d a n a l y s i s ，s e a i c en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df o r e c a s t i nt h i s 。p a p e r ，a ne l a b o r a t ei n t r o d u c t i o na b o u tt h ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo f o f f s h o r es t r u c t u r et h a tc a u s e db ys e ai c eh a v eb e e ng i v e n , a l s os a m p l ea n a l y s i so f t h eo b t a i n e d d a t a , a n dt h ea n a l y s i so fd y n a m i cr e s p o n s eo fo i lp l a t f o r mb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o di s d e l i v e r e di nt h el a s t 矗糙l u d i i 塔ac o n c r e t ec f l s es o l u t i o nb a s e da n s y s k e y w o r d s ：s i m u l a t e ds e ai c ev i b r a t e , i c et h i c k n e s s ，i c ev e l o c i t y , d a t aa n a l y s i s , a n s y s a n a l y s i s - 珏 独创性说明 l 乍者郑重声明：本碾士学位论文是我个人在导薅指导下进行的戮究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人基经发表残撰笔的磅究成暴，也不氢含为获褥大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 盛擞魄贡献均已= 垄论文中微了甓确的说明著表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 引言 冰区石油资源的开发已经有三十多年的历史，为解决海冰给海上生产、运输和作业 带来的问题，人们在海冰的物理力学性质、海冰监测、海冰与结构相互作用、海冰数值 模拟和预测等方面进行了大量的工作，其研究方法和成果也在不断地发展和完善。但在 冰激结构振动机理、冰区生产作业管理等方面仍缺乏统一的认识，也尚未满足冰区结构 设计和生产作业的工程要求。 辽东湾是渤海冰青最为严重的海域。从上世纪八十年代末中海石油天津分公司开始 在辽东湾进行油气开发，在该海域建造了多座抗冰石油平台。由于当时抗冰结构设计理 论还不成熟，特别是柔性抗冰结构的冰激振动问题还没有相应的设计规范，使平台在设 计中还存很多不确定性，导致现役平台存在较大的风险。海洋结构在海冰作用下的剧烈 振动给生产设备和精密仪器带来很大的威胁，同时给工作人员的生活和身体健康也带来 很大的影响。从辽东湾平台投产以来，几乎每年冬季都会出现不同程度的由海冰引发的 事故。最为严重的是2 0 0 0 年j z 2 0 2 中南平台由冰振导致的天然气管线的断裂与法兰松动 险些酿成重大灾难事故。 为此，建立一套完善的冰激振动监测系统，已经成为工程中的迫切需要，作为中海 石油天津分公司实施了海冰管理项目中的一个重要部分，本文介绍的冰激振动监测系统， 是对冰荷载要素进行监测，围绕冰荷载的监测主要包括： 压力盒冰力直接测量 结构振动响应监测 冰厚与冰速的监测 气象和水文条件的监测 通过监测，为后续的灾害预警提供决策依据，并为冰区平台的打井作业、原油外输、 破冰船调度及平台的安全提供保障。其中海冰观测，即冰厚与冰速的监测，是海冰数值 模拟和预报的基础，通过平台定点观测则可获得详尽的海冰信息，为海冰数值模拟、冰 荷载分析和预报服务。而平台振动响应监测是为了科学准确的测量平台及相关结构在海 冰作用下的振动情况，从而对保障生产、结构的安全评估具有十分重要的作用。同时， 振动监测对于确定海冰对不同结构的荷载情况，研究冰激结构振动机理也有十分重要的 意义。 基于渤海石油平台的冰激搬动监钡4 系统及萁应用 本文主要蹩基于在2 0 0 3 2 0 0 4 年冬季对辽东湾北部j z 9 3 平台和j z 2 0 - 2 平台静泳 激结构振动和冰力进行了系统的测量，同时对j z 2 0 - 2 海域的气象、水文条件和冰惰也滋 行了连续裾溺。并对蕊测数据避行了簿单黪分辑研究。 大连理工大学硕j = 学位论文 1 绪论 1 1 图内外研究概况及发展趋势 锫个具有中离纬海域的国家为自身和共同的利懿都在积极发展现代海冰监测高技 术，从空中、冰面、冰下对海冰环境避行了立体监测。美国、加察大、日本、欧共体、 饿罗烂等发选的海洋国家蠛集霪，嚣在不断强化或更灏本国蠢冰区熊监测系统，以便更 好的利用海洋丰富的资源。 冰力测豢这一现代毫凝技术走囊成熬经历了凡十攀夔发嶷，很多人为鼗付窭了l 受辛 的努力，其中以下几件事件是最具有代液性的。 1 1 1 阿拉新加库宽湾 六卡年彼中簸，疰该璁速匏1 4 个海缮工疆貔设诗秘建立器是十分保守瓣获冰浮譬繁 结构。用于丽油工业的海洋平台e h 四个瓶径4 3 m 的桩腿支撑。交叉的支撑单元一般被很 好的隈隶l 在水下驻避免碎冰的破坏，绪捣被霞定在主簧的来珠方两，放雨洽好只有两条 腿朝麓冰的运动方向。最常见的撞击是不断地冲刷，2 个迎冰的桩腿各自独立地与冰撞 击。 1 9 6 3 1 9 6 9 年耀在这些结槐上安装了爝于测冰力( 包括个特数戆测试桩) 的装置。 在加救的情况下测慧弯曲压力，它的物理标定的精度为1 0 在一定条件下理论标定误差 为2 5 。 但由于结构的动力响应使得记录下来的冰力分析起来很复杂。 1 1 2j e 欧灯塔的冰力颡4 爨 在波簸怒亚湾鞠渡罗瓣海静释塔在冬季黎被滚冰掰包鼙，瑟虽掰变上瞧营经发生过 很多的事故。因此猩设计的时候麒设计灯塔直径的荷裁力都大于实际情况，其直径为 2 5 3 0 i v l ，承平荷载范围6 - 8 m n 、1 m 簿，箔计应力为2 - 3 m p a 。 媳于灯塔都是圆润的结构，i 珂且对于灯塔的冰的行为都是高速遮动，因此像鹾克湾 地区的结构样的旗于结构的测蹩方式也被应用于北欧灯塔的冰力测量，但最终的结粜 爵琵绘出一个过量锉诗懿静止萤载。 m a a t t a n e n 基于北欧灯塔结构模型的试验揭示了动力峰值荷载的偏离度般为5 0 。 葳蠢对最大漳毽荷载静傣计麓逶 遣程雍瓣萄载蓬鸯上三个标准懿编离筐，碧将意睬着峰 基于渤海石油平台的冰激振动监测系统及其应用 值可能比一般荷载大2 5 倍，这代表了一个高水平的结构反映瑞典灯塔的失败很大程度 上是由于过量的动力反应而不是过量荷载。 在波斯尼亚湾的这些测量中对冰力的直接测量也被应用在了两个为了减少动力效应 而设计的完美的测试灯塔上( 这两个振动隔离灯塔自1 9 7 7 年开始服役) 。冰力荷载被通 过应用弹性结构装置而推知，最终冰荷载的测量值的范围在2 - 3 m n 的范围，而河面的直 径为o 6 4 1 1 m 。 1 1 3 高纬内陆桥墩设计 对于高纬内陆的水系桥墩的设计者都深知季节性河冰的处理的必要性，尤其是在春 季的高运动期。几乎所有的设计者对于高纬内陆的水系桥墩的设计都仍是基于十分广泛 的可接受的规范。例如在1 9 7 4 年前加拿大高速桥的可接受的设计规范只是简单的应用一 个有效的冰破压力值就行( 一般为2 8 m p a ) ，而不管其冰的形状、厚度和温度。这个有 效压力通过桥墩宽度乘以冰的最大预计厚度来得到冰荷载值。当这些工作完成之后，那 就意味着它不会显然导致任何可能的结构塌陷。在六十年代末就越来越显得它的保守了， 很多的多年前设计的桥的设计冰压力远小于2 8 m p a ，但它们仍在冰作用下存在着，而且 显然并没有处在冰塌之中。 结果，在加拿大的阿尔伯特的三个桥墩建设是都按了一些特殊设备来测量冰压力， 其中的两个都提供了很好的数据即跨越a t h a b a s c a 间的h o d o 桥和p e m r i d g e 桥。在测量 中这些桥都使用了在逆流面的桥墩处使用特殊设计的鼻部装备，而且在这两种情况下都 包含一个简单支撑的钢筋混凝土柱，它通过一个载荷单元与固体桥墩连接并支撑 在“冰动”季节破碎的冰力测量在每年的春天开始( h o d o 从1 9 6 7 年，p e m f i d g e 从 1 9 6 9 年开始) 。这其中以l i p s e t t 和g e r a r d 的系列测量法最具有代表性。他们的工作 给出了1 9 7 3 9 年所收集的数字细节，提供了一个完全的冰厚、冰速和冰破坏形式和峰值 力的值。 在h o d o ，峰值压力的范围是o 5 - 2 3 m n ，这些代表了作用于大量相关于0 7 2 5 m2 有 效的0 3 3 1 0 m p a 的冰压。在这一过程中，冰速增至2 9 m s ，冰也以冲击、弯曲和撕裂等 各种方式破碎了。在p e m r i d g e ，峰值力在o 2 1 1 m n 之间，冰厚o 5 m ，冰速1 , 0 1 9 m s ， 这些代表作用于整个面积为0 4 m 2 的在0 5 2 7 m p a 的有效冰压。值得注意的是p e m r i d g e 的有效冰压比h o n d o 桥墩的值大。h o d o 一个大的桥墩经历相对高的压力，但有效冰压 却很低。 大连理工大学硕士学位论文 褥滚上麴溺整方法对海澎浚计者是缓瓷懑义靛，嚣为它襄j 绘窭了令大葱霭熬在藩 纬和北极能碰到的条件模式。然而期定量也被三件事所限制：相对薄的冰在弯益与跳跃 中易于破碎；冰的较暖温度；测试器具宽度的限制。 。1 。4 人工和自然离 ( i ) a d g op ，2 5 岛在水下2 米建设而且程7 4 5 年冬季开始服役。在海岛附近一连串的 冰被观察到了以至于这个岛的大多数冬天被描述成被冰环境所包围。泼个岛并没有为了 测定冰压瑟广泛安装纹器，缀逑质技本显示整个岛戆移动是可测黪，1 9 7 4 - 1 1 - 2 7 酾 1 9 7 5 1 8 的测嚣豹e e 较显示麓的个侧商移劝估计为5 e m ( 估计为7 4 1 2 3 l 一场风黎的 结果) 。这期间的冰厚为1 - 1 2 m ，与岛接触的冰宽为1 2 0 m ，岛的抵抗力为1 5 m n 。这她导 致结果为整个越程可以看成个弹性变形，作用与冰上的旖载必超过1 0 5 m n 产生的滕力 麓p p h = 0 ，8 3 m p a 麓跨越载羧溺3 嚣接皴区洚1 3 0 m 2 ，误差大禳是1 0 - 3 0 。, 4 ，诗箕豹髂篷 较低。 在过程中冰的运动速率也被监测着，在1 2 月2 9 曰的三个小时中最大运动少于1 5 c m ， 乎垮速率小于l ，5 1 0 2 r r d s 。为了取褥露定方良的压力，主要采雳了在揍下0 2 5 0 3 m 处 放黉传感器的方法，扶1 9 7 5 。i 1 9 开始，覆l 激静压力值没霄超过0 2 黼盼。 ( 2 ) 在7 4 7 5 年冬n e t s e r ks o u t h b 4 4 也囊漩了压力传感器这个岛建予水下4 5 m 。假幽 这魑压力传感器获得的读数并不合理，主受是因为噪音、飘浮和标定的问题，更重燮的 蔻淡点瓣建萋不合理豹藏嚣。鼹终覆l 量夔港疆力一般在0 - 0 7 m p r 。 ( 3 ) n e t s e r kn o r t hf - 4 0 是第个用合理的方式装备以黧于能够获得对整个岛的合理估 计。这个岛建于1 9 7 5 年水下7 m 深，直径1 2 5 m 。在早期的运动冰期他变得被大量的冰 醛片瑟包基，遂揍都有效酶增大了它熬壹莰，这些碎强壤慧经为1 9 0 - 2 5 0 m 。浆不薮与乎 熬碎盾难的边缘撞击而不是麓本身。 浮冰被充分的安装了分布在整个冰厚的9 个位置上的11 个平台压力片。冰的运动也 通过安装在冰的表面的有线测量仪两被监视，葡且通过露线固定海床的方法记录运动。 瀑爨静蘧力大约蠢0 7 m p a 。 ( 4 ) 1 9 7 6 - 7 谯水下8 m 建设的k a n n e r k 岛的预i 试几乎产生了有用的数据，而在同年j ；f | a r n a kl 一3 0 上也执行了在前岛上的同一个联力程序。它襁k a r m e r k 附近水深8 5 m ，压力 蕊感嚣绘出了低鹱董匏数据瑟薰显示了改爰缀嚣难魏趋势，典型懿溅豢蔗力在0 3 5 m p a 藏溉而且最大灏燕压力为1 1 1 3 5 m p a 。 基于渤海石油平台的冰激振动监测系统及其应用 ( 5 ) t a r s i u tn “于1 9 8 1 年下被装备，它是首个使用预制沉箱渗透至波区的岛，在其 外围形成了八边形，直径1 0 0 m 的结构。而且沉箱之间用沙填充，从而形成了吸纳设备 和容量的基础，水深是2 2 m 冰情则在岸结冰和交接冰情之间。事实上是这个岛本身对岸 冰来讲是个弱点以至于它在冬天仍很平稳。沉箱本身装备了各种载荷平台和内部拉力测 量计。在1 9 8 1 2 和1 9 8 2 3 执行了两个冰力测试项目至今仍是秘密。像在n e t s e r k 岛一样 每年很快就变得被过量的海冰碎片所包围，这有效的保护了结构不受冰的直接影响。这 意味着，特别是在1 9 8 1 1 9 8 2 年既然对从冰硝转移到冰上的作用与冰周上的冰力不甚清 楚，所以对沉箱载荷的测量是困难的。在8 2 8 3 年设计了用于解决此模糊问题的一个整 体计划是测量沉箱结构的力、碎片周围的压力和与这些相关的首年冰片周围的荷载所释 放的力。这些给出了一个直接的手段去测量碎冰的效应和应用于保护结构的程度。陈向 上的里通过内部压力计和表面的m e d o f 荷载平台而被测量。 ( 6 ) a d a m si s l a n d 0 叮、t 位于l a n c a s t e rs o u l 南边的挪威海中直径为2 0 0 m 的自然 岛。冬天岛被岸上的系缆柱上的冰所包围( 主要是首年冰) 。一系列的研究项目于1 9 8 2 年至1 9 8 6 年间在岛上被执行 在8 5 名6 年的冬天，一系列的管式双向压力测量器被安装，而且它能计算岛上的整 个的荷载释放。在8 6 年3 月末最大的压力测量值为0 3 m p a ，岛上最大的荷载为6 4 m n ， 冰厚为1 5 5 m ，作用的有效宽度为2 0 0 m ，所有这些合计形成了一个作用于3 1 0 m2 的平 均齿合压力为o 2 1 m p a 。 ( 7 ) 除此之外，还有如：8 4 年冬在k a d l u k 岛所进行的测量，8 5 年3 5 月在c r i 地区 的a m e r ko 一9 上所进行的测量，h a n s 环状自然岛所进行的测量，m o l i c p a q 结构所进 行的测量等一系列的测量。 1 1 5 破冰船和浮冰结构 这方面主要是以a s h t o n 和p i l k i n g 的报告为代表 其中前者主要是对破冰船通过重力进行破冰的行为进行了深入地分析。而后者则主 要是对加拿大沿岸的b e a u f o r t 海域的锥形钻井船k u l l u k 的破冰特性进行了深刻地分析。 。 当然，还有很多科学工作者在该领域的诸多方面付出巨大的劳动并取得了瞩目的成 绩但因篇幅有限就不一一细述。 1 1 6 该领域在我国的发展和应用 随着我国国民经济的发展，对石油的需求量越来越大，我国已经成为石油的净进口 国，而且陆地的勘探量和可开发量近期内毕竟有限，所以大陆架油气田则成了我国油气 大连理工大学硕士学位论文 资源开发的重点。我豳近海的油气资源十分丰富，现已发现七个大型含油气盆地，其中 仪渤海笳地、南黄海笳地、东海窳魄珠江瞄盆地、莺歌海盆地和北部湾盆地的面积就超 过了丸十万平方公里。囊中强建立以来，大量海洋乎台如恧屡誊笋般坦现在从北到囊豹 静海域中。我国的渤海辽东湾地区，由于纬度较高，冬天的温度很低，海上有三个月的 拣漆裳，在那鬃 乍监豹海石洼平台不可避免鳆承受海溶兹强大挣壹。海球鹣 睾兵l 鼗2 起 平台剧烈振动给工作人员以旺大的心理压力，直接危及平台的安全和人员的生命。 鸯觚1 9 6 9 年渤海特大泳葑箍侧渤海麓二号平台缢磷，中萄海洋石油渤海公司就开始 对渤海冰情进行调查和分析。三十多年来渤海公司先后深用多种方法进行固定平台的冰 情观测和冰力测量记聚了渤海海冰的生成、发展和消融。 t + 2 基予滋海海洋孚鑫冰激摄魂浆测系绫 进入9 0 年代，基于渤海中的现役石油平台，大连理工大学力学系复杂环境教研室建 立了一套完善的冰澈振动监测系统，十余年来，途套监测系统在使用中不断缎展和受新， 缀好的瀵足了王理需要，本文是对冰激缝梅援动监测系统豹一个归纳，并且绘出了瓤分 测量结果的应用。 冰激结棱襟动溅爨，主要是对平台懿冰激终给振动静位移速度鸯g 速度黎l 部分拇 孛豹 _ 嗷变进行连续溯量；对海冰作用时的类型厚度冰速冰向以及作用位鼹等进行同步测量； 辩气象和水文条件的箍铡；通过无线阑络遥测技术，对平台静泳力，结梅响应和海椿信 息进行了连续测量，从而为研究冰激结构振动机理和海冰生消运动规雄服务。 基于渤海石油平台的冰激振动监测系统及其应用 2 压力盒冰力直接测量 2 零l 畜 确定海冰裁荷最好的方法是用冰压力盒进行测量和对平台结构响应的同步测量。在 海冰的作用下，平台发生振动，这时冰载旖x u f 台来说是激励力。要钡量冰载荷的大小 寰要有瑟秘方法，壹接强器力鑫薯l l 量是箕审之一，勇一耱是逶过平台鹃镌应计算球耱载 的大小，这在下章详细介绍。这两种方法各有优缺点，压力盒直接测量可以得到冰载 葡的变化细节，获得冰力谱，并可以得到冰载荷在空阀上的分布，但怒难于在整个平台 豹掰宥猿终焉帮位都安装毯力盒，搿疆镁滚逶逶压力鑫德餮慧球力：遴过平台穗应可敬 算出作用在平街上的总冰力，但是得不到作用在每个桩腿上的冰力，蛹外，如果平静的 国振频率不是远大于冰载荷的激励频率，平台将不能作为一个传感嚣，这给数据的分板 逐或辍大蠢鼹。暹逮压力盒静溅量藉乎台嫡反静溅量，溉可敬透过辩溻黎球载蔚辩矫究 得出冰力变化的机理，构造出总冰力，又可以通过比较计算出的结构响应与实测的缩构 响应来验证总冰力的正确性。研究冰载荷需骚直接冰力淤4 爨与结构响威测量的同步进行。 鏊兹辽东湾豹撬承平台泰要有三释绩施形式，蒂镶体缒导警黎、不蒂锥箨静警繁絮 以及沉箱。冰作用在这三种绪构上有不同的破坏形式，因此了有不同的冰载荷。因为在 辽东湾的沉箱式焙构有很好的抗冰能力，所以下面只对带锥体和不带锻体的导管架续梅 熬猿载蕊进行麓要懿讨论。 2 1 1 冰与直_ 焱结构相互作用 冰与直立腿缭海疆互作照时发生的破坏形式e e 较复聚，主要的酸甥形式有接压破坏 _ j 韬屠蓝破坏。巍球与结构幸笤掰发生屈超破坏是有明显的间歇性，破坏的对闻闻隔较长。 幽冰与结构作用发生挤压破坏时，根据冰的逋度与结构的动力特性不间，结构将有不同 的响应，同时冰翦载蘅特征也不犀。 经过凡年游现场测量与戮究，基本可以知道冰与壹立结擒相互佟用获生挤压破坏时 帮三种状态：凇静状态( 冰农韧性区破坏) ，自激状态( 冰韧脆转变匿陂坏) 和随机状态 ( 拣在脆性区破坏) 。在渤海，这三穆状态中如现最多静愚随祝状态，凇羚状态很少出溪， 大连理工大掌礤士学位论文 是激状态虽然出现的频度虽然逸不高，但鼹造成的危害檄大。通过监溅表明，2 0 0 0 年l 兵2 9 墨m s w 平台天气放室罄线黥断裂赣楚由于宣激状态辩球载萄遵戒静，丽年2 麓7 日也是由于自激状态的冰载葡造成了m s w 平台的天气泄露。 进行直立续构上的冰载搿壹接测量研究，目的就是袋弄清楚冰的邀三神破坏状态发 生盼条件蔽及箕载荷的特性，淡便在戳屠瓣平台设诗中避免最危险祷狨的发生，对予澄 缀建造好的平台，可以通过对危险状态的预测来主动采取控制措施防止攀故的发生。 2 + 1 2 ；瘩与锥体缝棱柜互 乍爨 当冰板作用在坡面结上融，冰主要的破环形式挤压酸环变为弯蓝破坏，通过实验研 究表明，冰的弯曲破坏强度只是挤压破坏强度的十分之一，这使得人们想到利用锥体结 凝聚域小冰 乍援狂导管絮结构上戆冰载萄。艘o 2 平台原来靛设计酃燕不豢锥体豹够营 浆结构，平台与冰的作用部位鄂是垂直的结构，在冰的作厢下也都发嫩过自激振动，后 来经过改造成为现在的有锥体导管架结构。 对于一个赘蠢锥体的导簿絮抗冰平台，崔港戆作用下爨然不会发生是滋菝动。绲蹙 与冰作用在直立结构上发生藤曲破坏相似，冰在发生弯鞠破坏时也有明爱的时间间隔。 灏过在现场的雾年监测发现，最然加装了破冰锥体，但憋在冰的作用下平台仍然会发生 硝豢鲍振动，露辩戆誊菱动还缓强燕。遥镶髂压力盒熬翻步测量分辑表鞠，球接翅在镶 体结构上时其发生弯曲破坏的闰期并不是究全随机的，蕊建与冰速、冰厚、冰类型以及 锥体的锥角等参数相关，在一定的条件下当这些参数所决定的冰破坏的周期接近或等于 平奁戆固有爆麓黠乎台会发生多荽菝，蕊平螽浆振动发生麓力簸大翦瑗象。凌薅建予确定 冰破坏的参数不能长时间保将不变，所以又使得平台的熬撤状态不会长时间维持。 对冰与锥体相互作用载荷的研究，目的就在于研究决定冰破坏周期的参数、影响共 掇状态对闻兹嚣豢以及法与镶钵续稳季挈鼹黠瓣溶载萄谱。这苓纹在设谤糖乎台嚣对终稳 进行动力校核有用，也在对现役平台进行疲势寿命估计以及预测平台搬动的危险程鹰时 脊意义。 基于渤海石油平台的冰激振动监测系统及其应用 2 2 压力盒的工作原理 2 21 压力盒的物理模型 压力盒作为一种测量设备，有着它自身的物理模型与数学模型。压力盒在工作时就 是要将不能记录的海冰作用力转化为可以记录的物理量。图2 - 1 为压力盒的物理模型， 压力盒由基底结构、弹性元件和刚性盖板三部分组成。基底结构与平台的桩腿固定在一 起，起支撑作用；弹性元件是传力和转换的器件，是压力盒的核心；刚性盖板与冰直接 接触，是受力部分。压力盒的主要参数有三个，分别是压力盒的刚度k ，阻尼c 和盖板 质量m 。f ( t ) 是作用在压力盒上的力，是待测量，y ( t ) 相当于压力盒的位移响应，是可以 记录的物理量。 严八仑斗 | 二 冒 ， l 鞴 f 宅) 霸 7 * , - i - l 秘 c 隳 、牵酾 大连理工大学硕士学位论文 测冰力戆频率与蘧力盒蠢赛瓣鸯频率兹 e 绞，级坐蠡是嚣力盒戆l 是应臻毽与被 1 1 4 致力浚 入之间的比值。从图中可以嚣出，当使用愿力盒测量冰力时，应使压力盒工作在曲线左 侧的平直段内，此时输入的冰力与压力盒的输出之间存在线性关系，因此说用压力窳在 溅鬟球力嚣对驻力鑫魏嚣鸯鬏率是毫要求弱，对于小隈燕瓣压力鑫，蘩瘸有频率要大予 被测的冰力变化频率一个数嫩级。 | | | | 蕊：t | ：琊a - ；o m ： i 1 1 ，l 卜一1 1 一rr i i u l liii ii o ，o lo l t t ii l 删j ! ；：i l t l il lr n i li i一一一 l i l | l 、 l | l | l lt “ 、t tl l ： ： 警蟹童：吣 | l ： 一一一 i i _ i iili l i - 、i lli t l _ l lliiii i i i i t i i i i iii _ _ i i i l ili l i | iill i l lli t t i i iilii 1 1 i 、i ii r t 一r t 。 。1 1r 一一1 1 trrr j l t i ll i l e l i | lt l 、 l l | | l 、ll “t f f il|、l i t - 1 t l 一i ， i l i j t i 一一j j l 舡 i iil | i iii i 、 l i i f i l it l i iilli l i l i tiltii i l l liiiii 1 1 i i ii l _ ill i i i lj i j li1 i _ lliili p t 一一十一十州h 一一- 一h pj ili 1 1 i iiji l l ；”i ii l | | i|j| l l ll l l l li l | l l | l | l j|l|l| l l l l l | l f l l l l|ll l 1r 1 1 广一一r “i - 1 1 n t 一。、。rr f t l | l i tl i lrtt i l l i illii1 1 1 i tif i l i l i liiiii i l llili i l _iiili l l iiiil 图2 心压力盒的频攀响应曲线 f i g 2 - 2 t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ee t t r v e & i c ep a n e l 2 3 1 概谜 在设计压力愈时除了传感器的一般特性外，主要考虑了以下几点： ( 1 ) 压力盒懿蘸捩：擎令蘧力鑫寝l 量兹是终褥震都静平跨涿力，为了研究瑟方疆绪稳表 面盼分布，应当尽量减小压力盒面积，并柱结构与冰接触部位安放多个压力盒，这样可 基于渤海石油平台的冰激振动监测系统及其应用 以测量冰力在结构上的分布。关于如何制定压力盒面积目前还没有统一的观点，通常要 考虑结构大小，试验费用及冰与结构相互作用研究机理的需要。 ( 2 ) 压力盒覆盖面积：冰与结构物作用的面积通常比较大，对于宽体结构测量总冰力， 需要将冰作用面积全部覆盖，要用很多压力盒。往往使钡4 量的费用很大。对于潮差比较 大的地区，为了研究不同冰速的冰力变化还需要在垂直方向布置多个压力盒。 ( 3 ) 压力盒的形状与表面特性：冰力直接测量的原则是安装上压力盒以后不改变冰与 结构的受力状态。首先就要保障压力盒的形状与表面特性与被测结构物的原始状态相同。 海洋工程结构通常是圆柱或锥体结构，结构表面呈圆弧形，所以压力盒表面的盖板需要 做成圆弧状。冰与结构作用时，往往伴随冰的“上爬”与“清除”过程，这两个过程影 响冰力的幅值与周期并与结构的表面磨擦系数有关。 ( 4 ) 压力盒的刚度与频响：当结构安装冰压力计后，一般要使局部的刚度降低，导致 实测冰力小于实际冰力。因此，通常要求冰压力计保持较高的刚度，但又保持较高的灵 敏度，这是比较困难的。压力盒的固有频率要远高于冰的破碎频率，这需要详细分析冰 与结构破坏特性。 ( 5 ) 压力盒的安全性与可靠陛：冰压力计安装在冰水交界面，如何保证冰压计的传感 元件正常工作是比较困难的。其传感元件的防水与信号线的保护是非常重要的内容。 ( 6 ) 压力盒的敏感元件：压力盒盖板压力需要通过压力敏感元件，将力信号转变为电 信号，本课题研制了圆环式弹性元件，在弹性元件上贴应变计，通过测量应变获得力的 信号。 此外还要考虑压力盒安装施工，因为安装压力盒是在海上施工，在设计的时候就要 考虑到安装方案。 本文设计的压力盒基本能反映冰与结构作用的冰力时程。但是，压力盒测量的冰力 幅仍然不能比较准确的代表真实的冰力幅值，这是因为冰对压力盒作用是包括法向力与 切向力，而本文采用的压力盒只测量了法向力。如果同时测量切向力，则需要增加测量 的通道，使测量成本大大提高。由于，本课题的被测结构为柔性结构，可以从结构响应 获得总冰力幅值信息，直接冰力澳4 量的冰力时程只需要获得冰力幅值的比值在时程的变 化即可。 大连理工大学硕士学位论文 通过比较，压力盒的传感器部分采用了梁环形式。利用有限元程序进行计算，对传 感器的受力状态进行分析，确定最佳尺寸和贴片位置。由于传感器工作在海水中，要想 使压力盒有高的可靠性，必须对传感器进行很好的密封。在对传感器的密封中采用了三 重密封手段，首先对应变片和连接导线进行密封，其次对传感器内部腔体进行密封，最 后作整体密封。为做的相似性和易于安装，压力盒的底板和上面板都压了与锥体同轴的 弧形，并且整个压力盒是一体的，可以一次吊装就位。 本年度的压力盒设计分为锥体压力盒设计和直立腿压力盒设计两部分工作。 2 3 2 锥体压力盒设计 为了得到冰与锥体相互作用时冰力的大小与变化规律，设计了可以安装在m u q 锥 体上的压力盒( 图2 3 ) 。压力盒有6 个独立测力部件组成，覆盖了锥体迎冰面的4 8 。的 范围，下沿的有效弧长为1 7 3 m ，有效弦长为1 6 7 m ，压力盒的有效长度为0 9 m ，可测 量的冰的作用范围0 8 m ，压力盒的总重量约0 9 吨。 图2 - 3 锥体压力盒 基于渤海石油平台的冰激振动簸测系统及其应粥 f i g 2 。3 c o n ep a n e l 2 + 3 3 壹体压力盒设计 直立褪结构的压力金是为j z 9 - 3 m d p i 系缆平台设计的。该平台是一座单腿平台，腿 柱的直径是1 5 m ，平台高1 0 m ，通过4 0 m 的栈桥与主平台相连。 直立腿压力盒共存1 2 个，分上下下两麓，每鼷有6 个( 图2 4 ) 。第个压力盒静离度 悬0 6 m ，迎冰聪弧长0 2 9 m ，熬个压力盒包起的角度1 1 1 。整个压力盒的重点约l 。5 吨。 为防止农设计过程中出现错谈，根据设计的图纸进行了计算机实体模拟( 图2 。5 ) 。 654 32l i 1 2ni o 鲁87 i 一 图2 q 直立腿压力盒 f i g 。2 - 4v e r t i c a lp a n e l 大连联工大学磉士学靛论文 图2 - 5 直嶷结构压力盒的计算机实体模拟 f 遮一2 _ 5 c o m p u 瞻rs 蹴u l a 毽= dm 醐。lo f v e 艏e a ls t m c t u m 2 4 压力盒制作与标定 压力盒的制 乍过程如下图2 - 6 所承： 魈2 - 6 压力盒豹巷l 纷进程 魄2 - 6 p r o d u c t i o n p r o c e s s o f i c e p a n e l 压力盒的僚作过程分西劳完成，第一步是弹性冗件和竞体的加工。由于弹性元件是 用作传感器的，所以对加工的精度有较高的要求。聪力盒壳体起到传递冰力和保护内部 基于渤海石油平台的冰激振动蕊铡系统及萁应用 弹性元件的作用，所以要求肖足够的强度和囡0 度，加工的尺寸精度也必须要傈证。第一 多的工作是在大连船丽柒油杭厂完成的。第二步怒要对弹性元件进行蜜验室的处理，这 部分工俘的内容是搬工好敷弹性元传进行打磨、贼片、接线瓤密封处理。这一步是锻 正 后面测量工作能够顺利进行的关键，尤其悬贴片和密封的工作，压力盒能否在恶劣的条 件下坚持工作三个胃主簧取决于这婪工作。这部分的工作楚在大连理工大学由实验蜜的 技术人员宠或豹，笔考瞧亲身参热了其中。第三步是对弹性元转进行撼定，这一步黪工 作是为了保证测量工作能得到真正的冰力嚼值。最后一步是进行压力盒的组装( 图2 7 、 2 8 ) 。以2 0 0 4 簪使用褥压力盒的为侧，萁标定结：聚觅表2 - 1 。 闰2 - 7 缝装好的锥俸压力盒 f i g 2 - 7 a s s e m b l e dc o n ei p a n e l 大连理工大学硕士学位论文 罄2 - 8 组装好辩盏立越压力愈 f i g 2 - 8 a s s e m b l e d v e r t i c a li c ep a n e l 表2 l 压力盒的标您结果( 单位：l s b k n ) t a b l e2 - 1t h ep m m n e t e 8o f t h ep m a e l 编号灵壤麦编号一灵敏麦编号灵袭寝 v l h - j z 2 0 2 0 1 1 0 0 9 y l h _ j z 2 0 - 2 0 8 1 0 6 9 y l h 一如9 - 3 0 6 1 0 3 0 y 心- j z 2 0 - 2 0 2l o 4 8 木书$ 丰术木幸 车书十半年丰木料木木 y l h - j z 9 3 - 0 7 6 2 7 黜o z 2 0 - 2 - 0 3 l l 。4 2 ￥l h o z 9 3 - 0 1 1 1 1 7 y l h j z 9 3 - 0 8 l o 。2 7 y l h - j z 2 0 2 0 4 王1 8 8 y l h o z 9 - 3 0 2 1 0 5 5 y l h - j z 9 - 3 - 0 9 珀。2 y l h j z 2 0 2 0 5 1 0 0 0 n 且_ j z 9 3 0 3 l o 7 9 y l h - j z 9 3 1 0 9 8 9 y l 麒一j z 2 0 _ 2 一0 6 1 0 ，3 6 1 | f l h o z 9 3 - 0 4 l o i o y l h - j 胡- 3 一ii l o 2 2 ￥l l j z 2 0 2 - 0 7 l l ，饕 f l h - j z 9 3 番5 i o 。9 8 ￥l h j s 9 3 一1 2 1 1 4 7 浚：1 l s b - - 2 4 4 1 4 m v 2 。5 压力盒的安装 压力盒的安装工作也e e 靛复杂，以2 0 0 4 年为例，安装位置见图2 ，l o 。压力盒安液在 m e q 平台的b 2 桩腿的上锥体上，迎冰方向是平台的结构北。由对测爨的连贯性的要求， 簿筝弱安装蕴爨基本不交。 圈2 - 9 、1 0 锥体压力盒的安装 f 瑰。2 - 9 ，1 0 i m 日, a l l a t i o no f c o n ei c ep a n e l 表2 - 2 压力窳的安装和连接 t a b l e2 - 2t h ei n s 乜1 l a t l o na n dc o n n e c t i o no