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胜利九号钻井平台结构抗冰安全评估 陆军( 机械设计及理论) 指导教师：徐兴平教授 摘要 随着我国浅海地区石油勘探与开发的蓬勃发展，滩、浅海固定设 施在海冰环境中的安全问题日益突出，对这些地区海冰环境特别是冰 的特性参数和冰对结构作用力的研究迫在眉睫。 海洋平台作为海洋油气开发的重要设备，所处的自然环境极其恶 劣，极容易发生安全事故，历史上已经有多次记录，其中由于海冰造 成的灾难性海工破坏事故也有多起。针对此种情况，本文依据多年实 测的渤海海冰数据，确定了海冰的性能参数：分析了国内外所用的冰 力计算公式，并进行了对比；给出了合适的抗冰结构；根据已有的国 内外冰力计算公式，确定了海洋结构所受的冰力大小；利用a n s y s 软件，建立了胜利九号钻井平台的有限元模型，对胜利九号钻井平台 进行了应力和变形分析：最后给出了结论。 关键词：海冰，平台，安全评估 l l s a f e t ya s s e s s m e n to fs h e n g f in o 9d r i l l i n gp l a t f o r m u n d e ri c ef o r c e l uj u n ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx ux i n g - p i n g a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y ss h a l l o ws e ao i la n dg a s e x p l o r a t i o n , t h es a f e t yo ft h ef i x e df a c i l i t yi nt h es h a l l o ws e au n d e ri c e f o r c ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es t a n d i n g - o u t s t u d y i n gt h es e ai c e e n v i r o n m e n ti nt h e s er e g i o n s ，e s p e c i a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e p a r a m e t e ra n dt h ei c ef o r c ea c t e do nt h es t r u c t u r ei ss t a r i n gu si nt h ef a c e a st h ei m p o r t a n te q u i p m e n ti ne x p l o i t i n gt h eo i la n dg a si nt h es e a , t h ep l a t f o r mm a ye a s i l yh a v es a f e t ya c c i d e n tb e c a u s eo ft h es e v e r e e n v i r o n m e n t t h e r eh a v eb e e nm a n ya c c i d e n t si nh i s t o r y , o fw h i c hm a n y w e r ec a u s e db yt h es e ai c e a i m i n ga ts u c hs i t u a t i o n , t h i st h e s i sa s c e r t a i n s t h ep a r a m e t e ro f t h es e ai c ea c c o r d i n gt ot h es e v e r a ly e a r s p r a c t i c a lb o h a l s e ai c e 。sd a t aa n dt h ef o r c ea c t e do nt h es e as t r u c t u r e sa c c o r d i n gt ot h e e x i s t i n gf o r m u l aa th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h es t r e s s a n dd i s p l a c e m e n to ft h en o 9s h e n g l id r i l l i n gp l a t f o r mu s i n ga n s y s p r o c e d u r eb ys e t t i n gu pf i n i t ee l e m e n tm o d e l i nt h ee n d ，s e v e r a l a p p r o p r i a t ec o u n t e r - i c ef o r c es t r u c t u r e sa l eg i v e n k e yw o r d s ：s e ai c e ；p l a t f o m ；s a f e t ya s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：垃 。声f 月- 9 日 f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 0 1 年f 月1 1 日 加1 年 | 厂月i e l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 海洋平台抗冰研究的目的 随着人类对海洋认识和开发的加速发展，人类对海洋的探索正逐 渐由近海岸浅水海域向深水海域过渡。作为人类认识和研究海洋资源 的工作平台，海洋平台在人类开发和利用海洋资源的过程中得到了广 泛应用，其形式也逐渐由近海岸浅水海域的坐底式、导管架式海洋平 台向半潜式、张力腿式海洋平台发展，工作海域越来越深，工作环境 也越来越恶劣”。 海冰灾害是人类海上活动与自然现象相互作用的产物，渤海每年 冬季都有海冰生成，它影响着渤海海上交通、渔业生产、油气开发和 环境污染管理等【2 】。对于渤海冰区海岸和近海工程，海冰也是无法回避 的环境条件，滩、浅海固定设施在海冰环境中的安全日益突出。据1 9 7 1 年冬位于我国渤海湾的“新海二井”平台上观测结果计算出，一块6 公里见方，高度为1 5 米的大冰块，在流速不太大的情况下，其推力可 达4 0 0 0 吨，足以推倒石油平台等海上工程建筑物。 因此，在渤海海域对进行油气开发的海洋平台进行抗冰强度计算， 有着非常现实的意义，而且也是完全必要的。 1 2 海洋平台抗冰研究的意义 随着海洋经济时代的到来，人类在海洋上的作业越来越多。但是 与之相随而来的灾难性事故也是不断发生。这些灾难的发生，不但使 很多人死于非命，而且造成了巨大的经济损失和环境污染。由于冰载 造成的英国北海的p i p e r a l p h a 平台灾难使1 6 7 人丧命，只有6 2 个人得 以逃脱这场灾难。 p 3 6 号平台是巴西最大的海上平台，也是世界上最大的半潜式海 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 上油井平台之一。耗资3 2 6 亿美元修建的这座平台长1 1 2 m ，高1 1 9 m 。 于1 9 9 9 年1 月建成，2 0 0 0 年3 月投入使用。根据设计方案，使用寿命 为1 9 年，能开采1 3 6 0 m 深的海底石油。设计生产能力为日产石油1 8 万桶，天然气7 5 0 0 万m 3 。2 0 0 1 年3 月该钻井平台沉没造成了巨大的 经济损失，仅事故造成的油井停产就使巴西每天损失3 0 0 多万美元。 这次事故还将给巴西经济带来不小的影响，迫使巴西增加石油进口， 从而导致贸易赤字增加。据估计，事故将使巴西预计2 0 0 5 年实现石油 自给的目标推迟3 年才能实现。 我国1 9 6 9 年渤海特大冰封期间，流冰摧毁了由1 5 根2 2 厘米厚锰 钢板制作的直径o 8 5 米、长4 1 米、打入海底2 8 米深的空心圆筒桩柱 全钢结构的“海二井”石油平台，另一个重5 0 0 吨的“海一井”平台 的拉筋全部被海冰割断，可见海冰的破坏能力对船舶、海洋工程建筑 物带来的灾难害是非常巨大的。 因此对现有海洋平台进行抗冰分析【3 】，掌握平台的安全情况，对于 降低灾害发生概率，减少生命财产损失有着非常深远的意义。 1 3 海洋平台抗冰的经济技术价值 不管是英国北海的p i p e r a l p h a 平台灾难，巴西p 3 6 号平台沉没事 故，还是我国的“海二井”、“海一井”，都造成了巨大的经济损失。通 过抗冰分析，可以对平台的安全性能有一个整体的把握，可以做到防 患于未然，从设计到使用都可以将风险降到最低，因此，抗冰的经济 技术价值是不言而喻的。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状与发展趋势 、第2 章国内外研究现状与发展趋势 2 1 国外抗冰研究概况 国外对海冰的认识和研究，最初始于航道交通。海冰不仅封锁港 口、堵塞航道、中断交通运输，而且还挤压破损港工设施、撞毁海工 建筑物和过往船只，造成重大海难事故。芬兰是最早对海冰进行专门 研究的国家之一，它是世界上唯一在冬天所有港口均被冻结的国家， 冬季航运的需要促使它对海冰进行研究，并于1 8 7 7 年首航瑞典成功， 1 8 9 0 年首艘破冰船开始作业，1 9 7 0 年以后整个国家的全部海港达到全 年通航。芬兰于1 9 6 9 年建成首座冰模型试验池，并投入使用，1 9 8 3 年 重建一座大型海冰试验池，进行大量的冰模型试验，研究了冰的生成 与运动、冰的成份与物理性质、冰的物理模型与物理试验结果对比、 冰的预测方法等。丰富的极地石油与天然气资源推动了芬兰对极地海 洋结构的研究，集1 0 0 多年对航道海冰研究的成果，研究了冰对结构 的冲击与荷载、海洋结构的冰激振动、结构的冰振失效问题等等，还 进行了大量现场全尺寸的试验，采集了冰压力及其沿结构分布的大量 数据，同时做了许多模型试验来完善理论分析。 英国人对海冰的研究主要集中在5 个方面：( 1 ) 冰的蠕变规律；( 2 ) 冰的断裂过程；( 3 ) 冰的形态；( 4 ) 冰的物理模型；( 5 ) 冰力学的工程应用。 他们的工作是在英国石油公司饵p s ) 的支持和资助下进行的，目的是为 了开发冰区的海洋石油资源，且研究的主要成果还处于保密阶段，详 细结果没有发表。 对海冰工程研究比较多的当数德国、美国和加拿大。 德国的研究起步较晚，始于二战以后，但取得了世人公认的成果。 他们于五十年代建造了第一个小型冰槽，进行了不同类型冰的单轴强 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状与发展趋势 度试验，测量了冰对竖直桩的作用力。为了满足研究的需要，于1 9 8 4 年建成了一座大型模型冰池。其长7 8 m ，宽1 0 m ，深2 5 m ，工作温度 - 2 5 0 c ，拖曳能力达5 0 k n ，可完成各种冰的模型试验：他们就冰对结构 的作用作了大量工作，分别进行了室内模型试验和室外现场测量，提 出了著名的s c h w a r z 冰力公式，( 但就目前的研究水平看来：s c h w a r z 公式适用范围极其狭窄) 并形成了冰的力学性能标准试验方法。 加拿大是纬度很高的国家，天气寒冷，且其近海含油气资源，海 冰工程因而在那里得到了广泛的研究。这些研究不仅得到政府的强有 力支持，而且遍及加拿大各地的石油公司和高等院校，建立了专门的 组织机构a p o a ( t h ea r c t i cp e t r o l e u mo p e r a t o r sa s s o c i a t i o n ) ，其研究队 伍之众、参加的政府部门之多和研究领域之广是其他国家所不能比拟 的。他们首先将海冰作为一种材料来研究，对冰的微观结构、颗粒尺 度、成核和运动、冰的物理、化学性能等等进行了深入的分析和试验。 他们对冰的抗压强度( 单轴、多轴和非轴向) 、剪切强度、抗弯强度、断 裂韧度，等做了大量细致的工作。关于冰对结构的作用，他们做了许 多工作，包括理论分析计算、物理模型、室内试验和室外现场试验等； 他们还将海冰作为一种建筑材料加以利用，如用于建造井场、作业平 台等等。总之，加拿大的研究人员在海冰工程方面的贡献是巨大的、 令人鼓舞的，他们发展了海冰微观结构观测技术，很好地研究了极地 冰的形成、生长和运移，对冰的特性与特征作了定量和定性的充分描 述，尤其对不同类型冰与各种海洋结构( 不同尺寸和形状) 的作用进行了 大量的模型试验、野外原型试验，得到了计算海洋结构冰力计算的解 析方法和数值方法，特别是所有的研究工作紧密地结合工程实际，并 得到了工程应用，取得了巨大的成就。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状与发展趋势 南b e a u f o r t 海的石油天然气资源是美国人开展海冰研究的动力源， 他们的主要研究基地是c r r e l ( u sa r m yc o l dr e g i o n sr e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) ，并有专门的组织人实施石油工业部门的研究计 划。他们的工作是围绕钻井和采油平合在冰区的安全作业而进行的。 这主要归因于1 9 6 4 年在a l a s k a 库克湾的两座钻井平台被冰摧毁。海冰 的力学性能的研究主要来自c r r e l 、e p r ( e x x o np r o d u c t i o nr e s e a r c h c o m p a n y ) 和d a r t m o u t h 大学，进行了各种单轴试验和多轴试验，研究 了海冰的本构关系和屈服准则。他们根据冰与结构的相互作用，将冰 的破碎方式划作三大类，即挤压破坏、弯曲破坏和屈曲破坏，并分别 进行了研究。由于库克湾主要是流冰，他们对海冰的漂移模型作了专 门研究。尽管美国学者发表了不少海冰工程方面的论文，但实际上他 们的许多研究内容与成果，特别是各石油公司支持和资助的工作目前 均属保密范围，没有公开。 2 2 国内的抗冰研究概况 我国的海冰工程研究分四个阶段：1 9 6 1 1 9 6 9 年；1 9 7 0 1 9 8 0 年： 1 9 8 1 1 9 8 6 年；1 9 8 7 年至今。在第一、第二阶段，渤海二号平台建成 于1 9 6 8 年，1 9 6 9 年3 月被推倒于冰水之中。然而一号平台自1 9 6 6 年1 2 月建成至1 9 9 4 年为了方便才被拔掉回收。这一阶段的平台设计从不计 海冰力，到逐步找到合理的冰设计条件，从而设计出一定抗冰能力的 渤海抗冰平台，比如渤海一号、渤海六号、渤海八号平台。在第三阶 段，设计者掌握了埕北a 、b 平台、渤中1 8 1 井口平台和渤中3 4 - 4 井口 平台，以及单点系泊结构和储油轮的设计思想和方法。而且b z 3 4 4 e 油田的i e w 井口平台是渤海设计公司设计的。在这一阶段中国技术人员 基本掌握了国际上先进的海洋工程设计、制造和安装技术。在第四阶 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状与发展趋势 段，我国还是自己设计施工。胜利油田设计了一批简易平台；大港油 田设计了歧口附近的中华第一岛；辽河油田在葵花岛建造了钢筋混凝 土人工岛。 我国对海冰的认识和研究始于1 9 6 9 年渤海冰毁事故之后，李世山 和袁业立教授在渤海二号和四号平台上用自己设计的活动压力盒测量 了冰力，并进行了渤海海冰研究。1 9 7 9 年8 月中国科学院力学研究所田 千里和渤海石油公司杨国金为减轻钻井力、风力和海冰引起平台的振 动，在四号和六号平台甲板下垫了特制橡胶片。天津大学徐继组和史 庆增教授从1 9 8 0 年开始就不断地将国外海冰技术介绍到中国，建设了 试验水池，对中国海冰工程的发展起了促进作用，并和清华大学郑兆 昌教授一起编制了自激振动程序。 我国的研究主要分如下几方面：( 1 ) 渤海湾的冰情调查；( 2 ) 海冰的 物理力学性能；( 3 ) 冰力及其识别；( 4 ) 冰与结构的动力相互作用和结构 冰激振动 4 1 ；( 5 ) 结构的冰激破坏分析与抗冰设计。由于辽东湾的冰不同 于极地冰，我国海冰工程的研究具有自己的特色，取得了一批优秀的 科研成果，这些研究主要来自石油大学、天津大学、中国科学院力学 研究所、大连理工大学、渤海石油公司等。另外。就我们国家而言，负 责冰力学的是国家海洋局系统及其相关的大专院校，做这部分工作的 主要是海洋学家和气象学家。负责结构抗冰工作的是中国海洋石油和 港口及船舶工程部门 s l 。 2 3 抗冰研究的发展趋势 综上所述，海冰工程在国外得到了广泛的研究，但是由于几个主 要西方大国对他们的研究成果不对外公开，使得我国的许多工作必须 在摸索中进行。结合我国已有的研究基础和实际工程需要，很多方面 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状与发展趋势 的研究工作还需要在我国展开【6 】。另外，抗冰分析也有从静力分析向动 力分析发展的趋势。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章渤海海冰的物理力学性质 第3 章渤海海冰的物理力学性质 3 1 海冰的组成和结构 海冰一般由固态的水( 纯冰) 、各种固态盐和浓度大于原生海水浓度 而被圈闭在冰结构空隙部分的盐水泡组成。在纯冰形成的过程中，海 水中的盐分被析出并转移到下方，部分被截留形成盐水包。盐水包的 存在是造成相同温度下海冰的强度低于淡水冰的强度的主要原因。随 着冰温的降低，盐水泡中溶解盐更多地变成固态盐，使海冰的强度增 大。 冰是一种晶体材料。自然界的冰都属于对称的六方晶体系，但单 个冰晶体的外形和尺寸却有很大的不同：它们可能呈片状、粒状或柱 状，尺寸可由一毫米左右到几个厘米。冰晶格的对称轴垂直于“基面”。 基面为若干个相互平行的平面。冰沿与基面平行方向发生相对位移时， 需要破坏分子结合点的数目明显少于沿着其它方向位移时的情况。这 说明当冰的晶格有序排列时，冰的变形和强度是各向异性的。 海冰的上表层一般由细小的粒状冰晶组成，其厚度取决于结冰的 海况条件，可从几个毫米n 2 0 毫米左右。以下为过渡层，其冰晶体开 始有沿着生长方向变长的趋势。再下即为冰排的基本结构层，常称为 柱状冰层，这里冰的晶体明显地沿着生长方向即垂直方向变长，冰的 晶体对称轴( 称为c 轴) 位于与水平面平行的平面内。 我国渤海和黄海北部，波动的海面上最初生成的冰是颗粒状晶体 结构，即粒状冰；在相对平静的海面条件下，生成的冰是柱状冰。渤 海和黄海北部的平整冰可看作是柱状冰，晶体的c 轴都在水平内随机分 布，a 轴与冰表面垂直，柱径尺寸随冰厚增加，从几毫米到十几个毫米。 海冰的类型以灰白冰、灰冰、白冰、初生冰等为主。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章渤海海冰的物理力学性质 3 2 海冰的变形性质 海冰的变形特性随外界条件而变化：如从开始加载到破坏的历时 较短，加载速率较高( 这时沿晶格基面的位移还来不及发生) ，而应力水 平又较低时，海冰的变形主要是由于在载荷作用下分子内部之间距离 的改变，弹性变形将是主要的：如加载历时较长，加载速率较低，而 应力水平较高时，则非弹性变形( 塑性变形、蠕变变形) 将占主要地位。 由于海冰在自然界存在的温度同它的融点温度相当接近，所以蠕变表 现为一种重要的变形形式。冰的蠕变主要来自晶体沿基面产生的位移 与滑动。在静冰力分析中，常需考虑海冰的蠕变变形特征。 当加载迅速时，海冰的蠕变变形与弹性变形相比可以忽略不计。 如应力足够高，海冰这时将呈现“弹脆”性破坏方式。在海冰引起的 结构振动过程中，冰排不断发生局部压碎，情况更接近于这种“弹脆” 性破坏。 冰的完全弹性只在加载速率极高( 理论上要达到弹性波在冰中传播 速度) 时才能表现出来。根据由声学和地震等动力学方法测定冰的弹性 模量的实测结果表明，海冰的动力弹性模量主要受盐度和空隙度的影 响，而受冰温、晶格结构及加载方向等因素的影响很小。 实际上加载速率一般不会这样高，因而冰要表现出一定的粘弹性。 为了研究这时冰的变形特性，可进行冰样在等应力速率或等应变速率 下的加载试验，由试验得到应力应变曲线( 盯占) 的初始正切值，确定 冰的弹性模量的近似值，称为冰的静力弹性模量或名义弹性模量，而 且明显依赖于加载速率、冰温、晶格状况、加载方向及应力水平等因 素。用这一方法测定的渤海海冰的名义弹性模量为： 垂直于冰面方向加载： 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章渤海海冰的物理力学性质 e p = ( 2 3 5 4 7 1 6 1 ) m p a( 3 1 ) 平行于冰面方向加载： e h = ( 1 5 6 9 2 5 6 8 ) m p a( 3 2 ) 试验采用的参数为：冰温1 0 ，盐度3 2 8 4 3 3 0 ，应力速率 1 3 2 4 4 9 8 3k p a s 。 3 3 海冰的材料特性 3 3 1 挤压强度 海冰的抗压强度是海冰单轴无侧限压缩强度的简称，指海冰冰样 单轴无侧限受压破坏时单位面积上承受的极限荷载。海冰的抗压强度 是冰荷载计算中的一个重要参数，也是人们最早研究的海冰力学参数， 国内外对海冰进行了广泛的研究，取得了可喜的进展。大量试验表明， 冰的强度值是与加载速率紧密相关的一个函数，其取值范围为0 5 1 0 m p a 。对于裁荷平行冰层表面的强度试验，冰的单抽抗压强度具有如 下形式： o r ：- - 8 4 ( 屯) ”( 1 一q 彳 - r 3 2 0 ) ( 3 3 ) o r = 3 2 6 ( 吒) 0 2 2 ( 1 一、y - r 2 8 0 ) ( 3 4 ) 式中：o r ，为冰的单轴抗压强度，m p a ； 以为平均应力速率，m p a s ( 1 0 4 吒 1 ) ； 行为总的空隙度。 如加载速率用应变对时间的变化来表示，m i c h e l 提出了一个物理模 型来描述挤压强度盯，和应变速率舌的关系：舌= 彳盯，“e x p ( 一o r r ) 式中：a ，一为常数； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章渤海海冰的物理力学性质 q 、r 、盼别为激活能、普适气体常数和绝对温度。 我国沿岸海冰的挤压强度也与应变速率密切相关，在高应变速率 下海冰表现为脆性材料，为脆性断裂，且有较大的随机性，但其强度 均值基本上不随加载速率而改变。在低应变速率下又呈现弹性特征， 变形时不出现裂纹，强度随加载速率增大而提高。而在一定的应变速 率范围内则弹性和脆性共存，这时冰的挤压强度达最大值。这一重要 特性是海冰对结构作用的一个显著特点，将直接关系到结构的振动机 制。 海冰的抗压强度主要取决于海冰的盐度、温度和冰龄。通常新冰 比老冰的抗压强度大，低盐度的海冰比高盐度的海冰抗压强度大，所 以海冰不如淡水冰密度坚硬，在一般情况下海冰坚固程度约为淡水冰 的7 5 ，人在5 厘米厚的河冰上面可以安全行走，而在海冰上面安全行 走则要有7 厘米厚的冰。当然，冰的温度愈低，抗压强度也愈大【7 】o 此外，影响冰的挤压强度的因素还有冰的温度、盐度、晶体结构 等。而对于给定冰，它的温度、盐度和晶体结构是一定的，因而它的 挤压强度主要受加载速率的控制。 3 3 2 抗弯强度 冰的抗弯强度主要应用于破冰性能、海冰对倾斜结构的作用力、 冰脊的形成以及碎冰堆积过程等。试验方法主要采用悬臂梁试验和三 点或四点弯曲试验。分析方法则应用了简单梁理论和三维有限元分析 技术。试验结果发现冰的抗弯强度很小，大约在5 0 0 - 一2 2 0 0 k p a 的范围内。 此外，温度越低，抗弯强度越大，如温度从一5 下降到4 0 ，强度则 从5 0 0 k p a 增大n 2 0 0 0 k p a 。 此外海冰的弯曲强度随着盐水体积增加而减小。当应力速率处于 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章渤海海冰的物理力学性质 ( 0 0 4 o 1 ) m p a s 时，强度与应力速率基本无关；当应力速率处于( 0 1 o 3 ) m p a s 时，强度值达到最大：以后随应力速率增大而降低。 3 3 3 拉伸强度 ( 1 ) 拉伸破坏基本是脆性破坏，只有当应变速率很低时，才是韧性 破坏； ( 2 ) 拉伸强度随温度变化较小； ( 3 ) 拉伸强度对应变速率变化不敏感，或者说拉伸强度基本上与应 变速率无关。 3 3 4 断裂韧度 断裂韧性是材料的一个重要参量，但海冰蜀。的测试进行得还较 少，主要工作是由加拿大学者完成的。他们不仅在线性内做了加载速 率、温度和试样尺寸等因素对蜀。影响的试验，而且用有限元技术分析 了非线性范围内海冰的断裂行为。他们发现，微裂纹的出现是海冰断 裂韧性下降的主要原因，置。受温度的影响很大，p a r s o n s 等人的结果表 明：温度从i o c 降到2 5 c ，k c 从1 5 0 k p a r f l ”；提升到5 0 0 k p a m ”， 我国学者对辽河口等地海冰测试的结果比加拿大学者测到的k 。要小 一个数量级左右，大约在0 1 1 0 4 4 0 1 0 4 k p a m ”范围。不同海冰 墨。的巨大差别是否会带来我国海冰的一系列特殊问题，值得研究。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章冰与海洋结构物的相互作用 第4 章冰与海洋结构物的相互作用 4 1 海冰对滩、浅海结构的作用 海冰对结构物的作用方式实际上是多种多样的 8 】 9 1 。根据对我国渤 海海域的现场观测，它们对滩海建筑物的作用主要有以下几种： ( 1 ) 冻融损坏作用：渗入混凝土海工建筑物表面附近毛细管孔道的 海水，成冰时产生膨胀压力，导致混凝土内部呈现应力状态。随着气 温的剧烈变化，海冰的冻融交变过程频繁发生，使得混凝土表皮脱落， 产生“冻损”。 ( 2 ) 膨胀挤压作用：整体冰盖层由于温度巨变引起膨胀所产生的对 结构的挤压力。 ( 3 ) 静力推压作用：大面积冰原在风和流的驱动下整体移动产生的 对结构的挤压力。 ( 4 ) 撞击磨损作用：自由漂流的浮冰对结构产生的直接冲击力；当 流冰从建筑物侧面滑过时，对建筑物产生切割、磨损作用。 ( 5 ) 附着冰引起的竖向力：结构周围的海冰因气温下降而与结构结 成一体，当水位涨落时对结构产生垂直上拔力或向下作用力。 对于海洋钢结构如石油钻采平台，作用最大的是其中的所谓静力 推压【1 0 1 ，是指大面积的冰原在风、流的带动下与所遇结构相互作用而 产生的力，它的大小取决于结构的几何形状、冰的物理力学性质与冰 类型、以及冰的破坏形式。其中冰的破坏是冰与结构相互作用的直接 结果，其破坏形式对结构的作用和结构响应都有直接和显著的影响。 4 2 冰排的破坏形式 运动的冰排或固定的冰原受到结构物阻拦时，对结构物产生的作 用力随冰排或冰原的运动而逐渐加大，当增至足够大时，冰自身破坏， 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章冰与海洋结构物的相互作用 它对结构物的作用力也达到极值。当该作用力大于结构物所能承受的 临界载荷时，结构物就会破坏。冰力的这种变化过程受控于冰的破坏 类型。所以，冰自身破坏的类型和过程直接决定着它对结构物作用的 模式、过程和作用力的大小。运动着的冰排在结构物前可能发生的破 坏类型有：挤压破坏、压曲破坏、纵向剪切破坏、弯曲破坏。冰的破 坏类型不同，对结构物的作用力大小也不同。各种冰的破坏形式中， 一般以挤压破坏对桩柱产生的冰力最大，弯曲破坏的冰力最小，桩柱 上的冰压力实际上是指冰排产生挤压破坏时对桩柱的作用力。 渤海的冰主要有三种破坏形式，即挤压破坏、弯曲破坏和屈曲破 坏，其中以挤压冰最为常见【“l 。大量的试验研究表明，决定压入时泳 排的破坏形式和冰力的主要因素是压块宽度与冰厚之比( 径厚l l d h ) 和 冰排的相对压入速率v d 。随着d h 和v d 的不同，冰排在压块前的破坏 形式也不同，它们可能是： ( 1 ) 蠕变变形，见图2 - l ( a ) ： ( 2 ) 径向裂纹，见图2 l ( b ) ； ( 3 ) 压屈，见图2 1 ( c ) ； ( 4 ) 周向裂纹，见图2 1 ( d ) ； ( 5 ) 局部剥落，见图2 1 ( e ) ； ( 6 ) 局部压碎，见图2 - l ( f ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章冰与海洋结构物的相互作用 斡 a 酱变变形b _ 径向裂纹e - - 五屈州珂向裂纹r 局部剥落f 一局部压碎 图4 1 冰排破坏形式 一般来说，当冰排与窄细的刚性垂直结构( 如灯塔、固定平台桩腿 和管节点主、支管) 作用时冰的失效方式即为挤压破碎，这是最常见和 普遍的一种失效方式，也是冰对结构作用最严重的一种，其冰力达2 6 m n m ( 对l m 厚的冰) 。对纵横比( 结构直径与冰厚度的比值) 小于5 的结 构，不管多厚的冰，都会以挤压的方式破碎。当冰排与窄细的斜面结 构作用时，冰排沿着斜面上移而发生弯曲，冰的失效方式呈现弯曲破 坏，其对结构的作用比挤压冰要小得多，对l m 厚的冰，冰力一般在0 5 1 0 m n m 的范围。对于纵横比大于2 0 的结构，海冰作用于结构破碎后会 在结构前形成碎冰堆积，这种情况下，冰的失效方式为屈曲破坏，冰 的作用力大约在0 2 1 0 m n m 的范围( 指1 m 厚的冰) 。此外，对于具有 一定柔性的结构，冰与结构的耦合作用最为明显，这时的冰一般也都 以屈曲的方式破碎。现场实测和冰激振动响应分析均表明，这种冰最 容易使结构发生共振2 】。此外，还有剪切冰和冰塞等对结构的作用， 也有混合冰的作用。不管是什么样的冰，也不管它以什么方式作用， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章冰与海洋结构物的相互作用 平台结构所接受的冰力都是十分巨大的，所激起的平台振动也是相当 严重的。例如，大沽灯塔( 一总高5 6 4 5 m 的海上圆柱形钢筋混凝土建筑) 如按设计波高5 ，7 m 、周期8 7 s ，设计冰厚1 2 0 e m ，风压7 0 k g 缅2 以及地震 烈度8 级计算，其极限冰力达1 4 9 7 t ，而波浪力、风载和地震力分别只有 2 5 9 8 t 、2 2 5 t 和5 1 9 。3 t ，冰载荷远远大于其它所有可能载荷的总和，且 随着每天4 次涨潮和退潮，海冰施加给平台的实际上是一种循环的近乎 对称的载荷，这种作用给结构造成的损伤更大1 1 3 】。 4 3 海冰与结构物作用的冰力公式 4 3 1 概述 冰对结构的作用是目前海冰工程研究中开展得最多的一个领域， 主要集中在冰力的测量和确定，研究手段包括模型试验、现场试验和 检测、物理和数学模型、有限元和边界元分析、冰力识别等等【，研 究的范围和影响因素包括冰的类型、冰的失效方式、结构的几何形状 与尺寸、冰与结构的相互作用等等【”l 。综上所述，海冰对结构物作用 方式实际上是多种多样的，将它们大致归为五类，实际上还有其它的 作用方式。这些作用有时是单一的，有时是某几种的联合作用，而工 程上所关心的是结构所接受的总的冰力，而不管冰的作用方式。冰对 结构作用力的大小受很多因素的影响，如冰本身的固有特性、冰与结 构相互作用的形式、冰与结构之间的磨察力、冰的破碎方式、冰厚、 冰速、结构的几何形状与尺寸、结构材料与表面粗糙度、结构的剐度 等等。对于给定冰条件，冰力主要与结构迎冰面的几何形状有关。通 过各种模型试验、现场测试、物理数学模型的理论分析和各种数值计 算，目前国际上比较流行且工程上可采用的冰力计算方法可简述如下。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章冰与海洋结构物的相互作用 4 3 2 常用冰力公式 ( 1 ) k o p x c a b h h 公式( 1 9 6 2 ) f = s ( v v o ) 一1 ”m k d h c r ，( 4 - 1 ) 式中：f 为冰力，k n ；d ，鼢别为桩径及冰厚，e m ；助冰速；厨为 局部挤压系数，当冰排宽度大于桩径的1 5 倍时，1 = 2 5 ；v o 是参比冰速， 可取v o = 1 0 m s ；m 是桩柱形状系数，对圆柱，取o 8 6 ；对方柱，取1 o ； 妫接触条件系数，取0 4 o 7 ，高冰速时取小值； o - 是冰的单轴抗压 强度。 当不必考虑冰速( 或应变速率) 对冰强度的影响，只计冰强度的峰值 时，上式变为： f = i k m d h c r ，( 4 2 ) ( 2 ) a f a n a s e v 公式( 1 9 7 1 ) f = i k m d h o ，( 4 - 3 ) 当1 d h 6 时，i = 再j 而；d h = i 时，- - 2 5 ；d 日卸1 时，1 = 4 0 ：o 1 d h 1 0 时，脏4 0 2 5 之间插值。 ( 3 ) 我国石油天然气行业标准讨论稿建议的公式 f = i l a n d h c r ，( 4 - 4 ) 它的形式和式( 4 2 ) 完全相同，只是系数取值有些差别，即结合我 国实况分别取为i = 1 ，2 ，扣o 4 5 ，m = 1 0 ( 对方截面) 或0 9 ( 对圆截面) 。 ( 4 ) j l ：l 拿大标准协会公式( 1 9 7 4 ) f = d u p e ( 4 5 ) 式中：p c 为冰的有效应力，取7 0 3 2 8 1 2t m 2 。 ( 5 ) 加拿大灯塔规范公式( 1 9 7 5 ) 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章冰与海洋结构物的相互作用 f = m d h c r 式中：聊，为考虑形状、接触条件的综合系数， 压强度9 ，i 玟1 4 0 6 1 7 5 3t m 2 。 ( 6 ) 苏联规范c h h h 2 0 6 0 4 8 2 ( 1 9 8 3 ) f = m l d h o ( 4 6 ) 取0 4 o 7 ；冰的单轴抗 式中：沩局部挤压系数；埘是形状系数，圆柱取o 9 ； ( 7 ) 中国船级社固定平台规范公式( 1 9 9 4 ) f = i l a n d h c r 式中：厕【2 5 ；所取0 9 ( 对圆柱) ；七取0 4 5 。 ( 8 ) 美国a p 冲2 a 公式( 19 8 4 ) ( 4 7 ) 方桩取1 0 。 ( 4 8 ) f = c d h t r ，( 4 9 ) 式中：c 为综合影响系数，取决于结构形状、冰速等，取o 3 o 7 ；o - ： i 玟1 4 0 6 3 5 1 6 t m 2 。 ( 9 ) 美m a p i r p 2 n 公式( 1 9 8 8 ) f ：l k d h a ， ( 4 一1 0 ) 式中：琳嵌入系数，实为局部挤压系数，但也包括结构形状影响；k 为接触系数，它也包括形状的影响，规范建议美国阿拉斯加库克湾海 区取0 4 5 。 ( 1 0 ) 德国s c h w a r z 公式( 1 9 7 6 ，1 9 9 1 ) 1 9 7 6 年，s c h w a r z 根据在河流桥墩6 0 c m 直径立柱上的现场测试及在 美国1 0 w a 的模型试验数值，提出了冰温o 时的冰力公式为： f ：3 5 6 t r o5 “ (4。,d h1 d 1 9 9 1 年，根据渤海辽东湾冰力现场量测结果，s c h w a r z 又提出了一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章冰与海洋结构物的相互作用 个适用于全渤海的冰力公式 f = 0 5 0 d o5 h 1 1 ( 1 1 ) 日本h a m a y a k a 公式( 1 9 7 4 ) f = c d o5 册， 式中：系数c 对圆弧形截面取5 0 ，对矩形截面取6 8 。 4 3 3 我国选用的冰力计算公式 通过对国内外冰力计算公式的分析、实例计算、 对我国滩、浅海设施冰力计算提出采用如下公式： f = l b n d h o - ， 式中： ( 4 1 2 ) ( 4 - 1 3 ) 比较和现场调研， “一1 4 ) ，为水平冰载荷； j 为局部挤压系数，按下式取值，当1 d h 6 时， j = 1 + 5 h d ；d h = 1 时，1 = 2 5 ；d 日= o 1 时，1 = 4 0 ；0 1 d h 1 0 时，脏4 o 2 5 之间插值； m 为结构形状系数，当结构水平截面为方时，m = 1 0 ，圆形时，m = 0 9 ： 为接触系数，其值与冰的性质、运动速度、结构物的形状和尺寸 有关，一般取值范围在0 4 o 7 之间，若无具体数值，建议选用k - - - - 0 4 5 ； d 为冰与结构接触面的投影宽度； 砌冰的厚度； 盯，为冰的单轴抗压强度。该式适用于以挤压破坏方式作用于结构 的冰力计算。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章胜利九号钻井平台结构疲劳寿命评估 第5 套胜利九号钻井平台结构疲劳寿命评估 5 1 模型的建立和环境资料的选取依据 胜利九号钻井平台结构疲劳寿命评估的依据如下： ( 1 ) 结构设计图纸资料中有关平台结构、桩腿桩靴、总布置图( 甲方 提供) 。 ( 2 ) 胜利九号钻井平台操作手册( 甲方提供) 。 ( 3 ) 测厚检验报告一1 9 9 8 4 ( 中国海洋工程服务烟台公司) 。 ( 4 ) 胜利九号钻井平台结构强度校核( 中国海洋石油总公司海洋石 油开发工程设计公司，1 9 9 3 5 ) ，该报告实际只对平台桩腿进行了强度 校核，对整个船体进行了简化，只用几个梁单元来替代；再加上平台 又已使用了多年，因此该报告不能反映平台结构的实际状况。 ( 5 ) 固桩区结构部分实测图纸及载荷分布图。 ( 6 ) 埕岛油田勘探开发海洋环境( 胜利油田管理局、青岛海洋大学) 。 5 2 计算校核选用的有关标准 标准如下： ( 1 ) 中国船级社海上移动平台入级与建造( 1 9 9 2 ) 及1 9 9 5 年修 改通报。 ( 2 ) a i s c ( 美国钢结构协会规范) - a l l o w a b l es t r e s sd e s i g n9 “。 本次计算采用美国z e n t e c h 公司研制的s t r u c a d * 3 d ( 版本v e r 3 7 0 ) 结构分析计算程序，该程序是针对海上移动、固定式结构物强度、动 力、疲劳等分析计算的专用程序。 在进行疲劳寿命评估时，为了提高计算评估的准确性，尽可能根 据实际的检测结果及实际的载荷布置，建立尽量符合实际情况的疲劳 寿命计算模型，并参照a p i ( 美国石油协会) 的有关标准，计算桩腿结构 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章胜利九号钻井平台结构疲劳寿命评估 在实际使用中的疲劳寿命( 即服役年限) 。根据计算结果对桩腿结构的 疲劳强度进行分析，以便对今后平台的使用提出具体的建议，避免发 生事故。 5 3 疲劳载荷的选取 此次疲劳寿命评估的疲劳载荷以年为单位，根据胜利九号钻井平 台操作手册，确定平台作业的海况，再通过研究海况资料，得到相应 的波浪载荷谱，并进一步计算相应的年疲劳载荷谱。为简化计算，在 计算中不考虑载荷间相互作用对疲劳寿命影响，这样使得疲劳载荷谱 较实际使用情况更加严重，但从安全角度考虑这种做法是非常有益的。 5 4 计算模型的建立 根据原始设计图纸和修理改装图纸，在本次评估中，将胜利九号 平台模拟为空间板、梁组合结构。该平台底、上部甲板、主甲板均为 纵、横混合骨架形式，由较强的宽翼钢强梁和小加强筋构成钢架平台 的主桁布置为舷侧板、平台底、主甲板、距船中5 3 3 4 m 、7 4 6 8 m 和 1 2 1 9 2 m 处纵舱壁组成纵向主桁；尾封板、首封板、# 2 、# 4 、# 6 、# 8 、 # 1 2 、# 1 6 、# 2 0 、# 2 2 、# 2 4 站横舱壁、平台底、主甲板组成横向主桁。 在建立计算模型时，针对该平台的机构特点，本着既反映实际情况又 合理简化的原则，对较强受力、构件( 板和梁) 按实际尺寸输入模型， 而对主要起加强筋作用的小加强筋、扶强材，考虑到其不参加总体强 度，则作适当的简化，不输入总体计算模型而作为强度安全储备。生 活楼、井架、直升机平台、吊机等不参与总体强度的部位，在建立计 算模型时予以简化，而在重量载荷分布、风载荷计算时则予以合理考 虑。另外，平台体模型中的各t 型钢、角钢均考虑了附连带板的作用， 而实际取为工字钢。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章胜利九号钻井平台结构疲劳寿命评估 5 5 疲劳寿命评估方法和步骤 ( 1 ) 安全寿命法 在本次安全评估中，根据实际情况，决定采用安全寿命法对平台 结构进行疲劳寿命评估。安全寿命法是目前在工程实际中常用的一种 疲劳寿命评估方法，在使用此方法时，首先应该确定施加在服役结构 部件上的典型疲劳载荷谱中的应力变化。最后利用线性损伤累积原理 ( 即m i n e r 准则) ，计算各结构部件的损伤因子和疲劳使用寿命，将计 算得到的疲劳使用寿命除以相应的安全系数，得到实际构件的疲劳使 用寿命。 ( 2 ) 选定s - n 曲线 在本次对桩腿结构的疲劳寿命评估中，按常规应首先进行材料的 疲劳性能实验，以确定桩腿结构实际的s - n 曲线，并根据s n 曲线来 计算结构的疲劳寿命。但由于无法从平台上取材料等原因，使得疲劳 性能实验难以按计划实施，因此在评估中只有根据