（机械设计及理论专业论文）老龄平台延寿数字化管理系统研究.pdf

摘要 海洋平台作为海洋石油开发的关键设备，结构复杂，造价高昂，设计寿命一般为 1 5 2 0 年，目前我国已有相当数量的平台进入老龄服役期。在保证海洋平台安全的前提 下，有效延长海洋平台的使用寿命，则可以大大降低海洋石油开发成本，经济效益显著。 为有效延长老龄海洋平台的安全使用寿命，对平台结构的安全性进行重新计算，针对不 同损伤类型选择适宜的维修、加固和改装方案，完成对平台寿命的管理，就显得十分必 要。本文主要针对我国海洋石油开发的需要，以老龄导管架平台为研究对象，结合8 6 3 项目“近海石油老龄平台延寿技术研究”和山东省自然科学基金“近海结构虚拟安全理 论及其应用研究”两个项目，开展近海老龄平台延寿数字化管理系统的技术研究。 本文对海洋导管架平台的结构模型进行分析，建立相应的有限元模型。考虑平台服 役过程中可能遇到的多种载荷工况，建立导管架部分结构数据库以及载荷数据库。在分 析国内外研究导管架平台服役过程中损伤类型以及维修加固方法的基础上，对部分损伤 类型以及维修加固方法进行有限元模拟，并将局部精细模型嵌入整体模型中进行计算分 析，得到维修加固后整体结构的应力状态，并建立相应损伤管节点模型及其维修加固模 型的数据库。根据平台损伤检测的一些方法，结合部分现场实际检测数据，建立判定损 伤的检测数据库。在此基础上，设计老龄导管架平台延寿数字化管理系统的框架，划分 系统模块，制定软件的详细工作流程。利用v i s u a lb a s i c 编程语言结合a c c e s s 数据库， 完成该管理系统的软件开发工作。 关键词：老龄平台，导管架，管节点，损伤，维修，加固，数字化管理系统 d i g i t a l i z a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o re x t e n d i n gl i f e o fa g e do f f s h o r ep l a t f o r m x us h u a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e ng u o m i n g a b s t r a c t a se s s e n t i a le q u i p m e n tf o ro c e a no i ld e v e l o p m e n t , t h es t r u c t u r e so fo i lo f f s h o r e p l a t f o r m sa r ec o m p l e x , a n dt h ec o s ti sh i g h t h ed e s i g nl i f eo fo f f s h o r ep l a t f o r m si sg e n e r a l l y 10 - 15y e a r s ，a tp r e s e n tq u i t ea m o u n to fp l a t f o r m se n t e r e dt h ea g e ds e r v i c ep e r i o d o nt h e p r e m i s eo fe n s u r i n gt h eo f f s h o r ep l a t f o r ms a f e t y , p r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f ee f f e c t i v e l ym a y r e d u c et h es e ao i ld e v e l o p m e n tc o s tg r e a t l y , a n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yi sr e m a r k a b l e f o r e x t e n d i n g t h es a f e u s i n g l i f eo fa g e do f f s h o r e p l a t f o r me f f e c t i v e l y , c a r r y i n g o nt h e r e c o m p u t a t i o nt o t h ep l a t f o r ms t r u c t u r es e c u r i t y , c h o o s i n gt h es u i t a b l ep l a no fr e p a i r , s t r e n g t h e n i n ga n dm o d i f i c a t i o nf o rd i f f e r e n td a m a g et y p e ，c o m p l e t i n gt h ep l a t f o r m i i f , m a n a g e m e n t ，a p p e a r sv e r ye s s e n t i a l t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yt o c u s e so nt h en e e do f o c e a no i l d e v e l o p m e n ti nc h i n a , w i t ha g e dj a c k e tp l a t f o r ma sr e s e a r c ho b j e c t ，w h i c hi s ap a r to ft h e “8 6 3 ”h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 3 5 5 ) o f r e s e a r c ho nl i f ee x t e n s i o nt e c h n o l o g yf o ra g e do f f s h o r ep l a t f o r m s ”a n dt h es h a n d o n g n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o g r a m ( 2 0 0 6 3 7 b 2 8 0 4 0 4 0 ) o f “r e s e a r c ho nv i r t u a ls a f e t y t h e o r ya n da p p l i c a t i o nf o ro f f s h o r es m a c t u r e ”r e s e a r c ho fd i g i t a l i z a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mf o re x t e n d i n go f f s h o r ea g e dp l a t f o r ml i f ew a s c a r r i e do n ，n l i sp a p e ra n a l y s e st h es t r u c t u r em o d e lo f j a c k e tp l a t f o r m ，a n dc r e a t e st h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n si ns e r v i c ep r o c e s s ，t h es t r u c t u r ed a t a b a s ea n d l o a d i n gd a t a b a s ew e r ec r e a t e d o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gr e p a i ra n ds t r e n g t h e n i n gm e t h o d f o rj a c k e tp l a t f o r mo fs e r v i c ep e r i o di nc h i n aa n da b r o a d ，p a r to fd a m a g et y p e sa n dr e p a i r m e t h o dw a sc a r r i e do nb yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n l o c a lm o d e lw a si n s e r t e di n t ot h eo v e r a l l m o d e lf o ra n a l y s i s ，t h e nt h es t r e s sc o n d i t i o na f t e rr e p a i ra n ds t r e n g t h e n i n gw a so b t a i n e d ，a n d t h ed a t a b a s eo fd a m a g e dt u b u l a rj o i n tm o d e la n dr e p a i rm o d e lw a sc r e a t e d a c c o r d i n gt o s o m em e t h o d so fp l a t f o r md a m a g ee x a m i n a t i o na n da c t u a ld a t a ，t h ee x a m i n a t i o nd a t a b a s ef o r d a m a g ed e c i s i o nw a sc r e a t e d o nt h i sb a s i s ，t h el 旨a m eo fd i g i t a l i z a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m f o re x t e n d i n gl i f eo fa g e dj a c k e tp l a t f o r mw a sb u i l t ，t h es y s t e mm o d u l ew a sd i v i d e da n dt h e s o f t w a r ew o r k i n gp r o c e s si nd e t a i l sw a sm a k i n g u s e dv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n da c c e s sd a t a b a s e ，t h ed e v e l o p m e n tw o r ko fm a n a g e m e n ts y s t e ms o f t w a r eh a db e e n f u l f i l l e d k e yw o r d s ：a g e do f f s h o r ep l a t f o r m ；j a c k e t ；t u b u l a rj o i n t ；d a m a g e ；r e p a i r ；s t r e n g t h e n i n g ， d i g i t a l i z a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 堡垒l 日期：勿吁年夕1 勿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垒起 指导教师签名： 日期：叫年夕月绍日 日期：舻7 年厂月日 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 我国近海蕴藏着丰富的油气资源，是我国石油工业的重要战略基地。加速开发海洋 油气资源，对于保证我国能源安全具有十分关键的战略意义。自从1 8 9 7 年世界上第一 座简陋的木筏在美国加利福尼亚海岸进行石油水下钻探，1 9 11 年在美国路易斯安娜和科 克萨斯之间的海上，建起世界上第一座海上钻井平台开始，海洋平台就成为海洋石油开 发的关键设备【l 。3 】。它的结构复杂，造价高昂，设计寿命一般为1 5 2 0 年。如果能在保证 海洋平台安全的前提下，有效延长海洋平台的使用寿命，则可以大大降低海洋石油开发 成本，经济效益显著。目前我国已有相当数量的平台进入老龄服役期，为开发相邻地区 新发现的油气资源，往往需要这些平台超龄服役。如何重新评估平台结构的安全性，决 定维修或改装方案和安全使用周期，有效延长老龄海洋平台的安全使用寿命，最大限度 地发挥其结构潜能，成为决策者面临的关键问题【4 5 】。 据目前的初步估算，3 0 以上的在役老龄化平台进行再评估或维修加固以后可以继 续安全可靠服役5 1 0 年，节约资金可达数十亿元【6 j 。为保证海上石油的安全生产，有必 要结合我国海上油田的实际状况，研究和开发老龄平台延寿服役的安全保障技术，以海 洋工程、系统安全理论和工业信息化技术为支撑，重点解决海洋平台剩余寿命预测与剩 余强度评估、平台可靠性分析与风险评佶、平台检测与实时监测、平台维修加固技术与 延寿决策等多项关键技术难点，为老龄平台的安全运行提供技术支撑。同时，平台延寿 技术的发展，还将促进老龄工程结构强度及失效、寿命评估及控制等高新技术研究的深 入进行，推动结构延寿工程技术的发展与创新，具有良好的应用价值【7 ，8 】。 近年来国际上兴起研究虚拟技术、特别是虚拟样机热潮，旨为产品的全寿命周期设 计和评估提供分布式的集成化环境，从而达到缩短研发周期、降低成本、提高效率的目 的，确保产品的安全可靠【9 1 。构建虚拟海洋环境、数字化海洋结构，建立平台寿命周期 模型，通过虚拟试验，并及时集成来自实际平台载荷等信息，实现结构风险的动态实时 管理和系统优化，降低寿命周期成本，保证平台安全运行，这对传统可靠性理论是一个 突破，具有较好的创新性，也有望取得良好的社会经济效益。 本文主要针对我国海洋石油开发的需要，以老龄平台为对象，结合8 6 3 项目“近海 石油老龄平台延寿技术研究”和山东省自然科学基金“近海结构虚拟安全理论及其应用 研究”两个项目，开展近海老龄平台延寿数字化管理系统的技术研究。 1 2 国内外研究现状 目前，海洋平台延寿技术研究在国内外得到广泛的重视。在国内，上世纪9 0 年代， 中国海洋石油总公司组织国内相关单位实施“海上结构物检测、维护与修理”科研攻关 项目，取得受损伤构件的修理与评估、裂纹类缺陷评估与寿命预测技术、海洋平台维修 决策技术等多项研究成果，该项目已获2 0 0 3 年度国家科技进步二等奖【l o 】。此外，哈尔 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：老龄平台延寿数字化管理系统研究 滨工业大学、中国石油大学、天津大学、上海交通大学、浙江大学、大连理工大学、中 国海洋大学和中科院力学所等相关单位在现役平台寿命、强度、可靠性评估等领域进行 大量卓有成效的研究工作，取得一系列的研究成果，其中包括移动式老龄平台极限强度 评估技术，服役中后期海洋平台的安全寿命评估与维修决策等，有力地促进了平台风险 分析与安全评估技术的发展以4 1 。中国石油大学在海洋平台的疲劳载荷描述、平台整体 疲劳寿命预测、平台强度评价、平台安全可靠性评估等方面进行大量的工作。在试验研 究的基础上，开展海洋平台疲劳、断裂分析与评估、剩余寿命预测技术的研究，对随机 载荷作用下构件疲劳寿命预测、海洋平台极限强度评定等技术难题作了较系统的探讨， 特别是曾与哈工大共同进行已退役渤海8 号生产平台结构钢性能试验与分析的研究，上 述工作为开发海洋平台安全延寿技术奠定了良好的基础。但同时还应看到，目前海洋结 构的检测、维修等延寿处理的整体决策以及系统的延寿理论技术仍处于起步阶段 1 5 , 1 6 。 在国外，在平台维修技术方面，近2 0 年来，美国、英国、挪威等国相继开展对海 上平台受损构件修理与加固的研究工作，并取得显著的进展。 1 1 1 平台维修加固工艺、装备 在相应设备的支持下，平台维修加固工艺得以顺利实施，并且成为平台延寿及有效 维持平台安全运行的方法。在过去的几十年里，国内外分别针对平台焊接( 干焊、湿焊) 、 焊趾处理、卡箍、灌浆、冗余( 废弃) 构件去除等方面进行研究。 ( 1 ) 焊接 水下焊接作为海洋钢结构物的连接技术，己经成为海洋能源开发工程、船舶维修、 水上救助工程和海军建设不可缺少的工艺乎段。近几十年来，随着开发海洋事业的兴起 和发展，海上钢结构物的维护与修理，也极需这种水下焊接技术。我国目前尚无水下焊 接技术规范或规程，专门的著述也较少。就世界范围来说，由于水下焊接还处于迅速发 展阶段，许多方法和技术还处于实验研究和探索阶段。 干焊被认为是最好的老龄平台维修加固手段，即使在较恶劣的水下施工环境下也经 常采用干焊。欧美及日本等主要造船国家的船级社对海洋石油平台的焊接均有专门的焊 接材料与焊接工艺方法规定。各国在建造海洋石油平台时，公认的标准有美国船级社 ( a b s ) 的钢船建造和入级规范、a p i 规范( ( a p ir p2 a w s d ) ) 和美国焊接学会a w s d 1 l 标准等【l7 1 。焊接在装备方面，开发各类焊接舱室，以及引入遥控水下机器人限o 和有人的潜水单元。 ( a ) 常压下的沉箱干焊。 沉箱实质上是一个水下密封的结构，包围在平台的修理位置上，同外部大气相通。 沉箱是上部开口的，或者是上部封闭但有入箱结构的，如图l l 。这两种结构都是为焊 接提供一个大气压下的干燥外部环境，同时保证焊接人员有足够的操作空间。图1 2 上 部开1 2 1 沉箱实际应用中，维修人员自维修平台经过上部管道梯子下到沉箱内，在工作区 域进行维修操作。 h a r r i sg t l 8 】针对沉箱的海洋结构焊接应用进行说明，沉箱的优点在于可在自然环境 中实施焊接，不需专门的潜水焊接和潜水检测人员，可使用一个大气压下的所有焊接工 艺，生命支持条件简单。 2 雌悖工作台 目l 凡葙懈e 一 自待件 全蜜e 工忙匪 摊形 、密封 圈卜1 上部开口沉箱修理 f i g1 1o p e n - t o p p e f le o f f e r d 肌r e p s r 田1 - 2 上部开口沉箱应用 f i g1 1a p p l i c a t i o no fo r e n t o p p e dc o f f e r d a m 巾) 高压干焊应用 高压焊接在主要结构和管道的修理中应用最为广泛。s t e v e n s o n 等人就干焊的高压焊 接舱应用进行研究f 1 ”，高压焊接舱靠近舱室底部的空气压力与水压相同，最大的压力差 在舱室的顶部，此压差依赖于舱室的高度。压差通常为零点几巴，舱室及简单的密封就 容易承受此压力。因为压力差别低，有足够强度的弹性水下维修舱是可行的并且已经在 实际中有所应用，见图1 3 。这种水下维修舱外壳形状的形成是由表面膜压力和随深度 变化的压力决定的并且在陆上可以通过将水下维修舱完全倒转并充满水得到相同的形 ! 曼互苎查兰堂蔓! 堡主兰些堡兰耋壁! 量壁至墼兰些要墨墨堑里墨 状。 舱室应用依赖于如下因素：焊接范围i 修理部位的复杂性；修理区深度，焊接工艺 和辅助设备；环境条件等。一般来说，设计应用高压焊接舱室有如下几个方面：轻质钢 舱、膨胀可变齄、小型迷你舱以及便携舱等。图1 - 4 展示了焊接工人在舱内的工作情况。 圈1 4 焊接工 在隔离船内工作 f i g 1 - 1w e l d e r a t w o r k i nc o f f e r d a m r c ) 湿焊应用 湿焊是在水下进行焊接，焊接弧在水下接触到水直接暴露于潮湿的环境，一般是 由潜水员手工操作，如图1 - 5 。 第1 章堵论 碾1 - 5 水下程焊 v i l - se x a m p l e so f w e t w e l d m g 湿焊是最早应用的水下焊接技术，主要优点是不需要焊接舱室，避免在修理区周围 安装焊接舱，特别适合于平台修理。这一优点弥补了湿焊中金属的恶劣焊接特性、低的 沉积率以及需要高水平焊工的缺点。水下焊接在美洲广泛使用，欧洲则用之很少。 实施湿焊应用最多的焊接工艺还是自动保护金属极电弧焊( s m a w ) 。采用防水的电 极把手和焊丝就可以在水中维持稳定的焊弧。但是焊工的视野会被电极熔化的材料崩落 阻碍，如图1 - 5 右图所示。 实施湿焊焊接的熔池接近冷的海水可使焊件较快冷却，且由于在焊接弧内水的分 裂，使焊接熔池内不可避免的出现氢，这都会影响到焊接质量。对海洋结构钢来说，高 冷却速度产生热影响区，使焊接金属呈现脆性，韧性很低。针对以上情况，l 讥s 和o l s o n d l i 珥等人针对水下焊接氢的存在| 2 工及降低氢的方法进行说明。s z e l a g o w s k i 2 1 等人将焊 接舱焊接研究发展的新电极特性与湿焊机械特性相比较提高湿焊工艺。 n 蚰d a v 蛐o o m i y 吲指出除了湿焊本身固有的焊接特性，其另一问题是潜水员( 焊接施工 人员) 将陆上试验证明的技术应用于海洋环境的能力。 由于湿焊过程不需要焊接舱，因而整个焊接过程较干焊花费时间少。在焊接修理的 不同阶段，必须实施一些形式的检测确保焊接达到标准要求。可视化、碰粉、涡流、交 流电位差技术、超声和x 光线照相术等都可在水下使用。美国矿产管理局r m m s l 就提高 水下湿焊的焊接质量进行研究，并获得成果田】。水下焊接检铡方法是确保湿焊质量的手 段。遥控水下机器人( r o v ) 在深水中也广泛应用。尽管水下湿焊取得较大成果，仍然有 很大提升空间。 ( 2 ) 藩浆及卡箍应用 构件增强方面主要有单元藿浆和节点灌浆。r i c l e s 等人在文献 2 4 】中研究海洋平台各 种灌浆情况及评价方法。要实施灌浆需要浇冒系统、切割钻削装备以及相应的检测、监 测设备。灌浆一般需要2 _ 3 个海上工作日，b a l t i cb e t a 自升式平台经过腿的灌浆，延长 了1 0 年的使用寿命“”。 在常规机械卡箍以及应力机械卡箍的研究基础上，还对很多新型的卡箍进行试验， w i l l i a m s 等人在文献【2 叼中提出螺柱灌浆卡箍，以摩擦焊焊接螺柱，使卡箍固定于灌浆 主里互塑奎兰壁至2 堡主堂垡堕三：耋竺! 笪壁要塞兰些塑堡薹竺堕曼 套筒外部，其中螺柱固定的带是连续的，也可以是间断的。g r u n a y 对一种预应力膨胀灌 浆进行研究田】，主要原理是当灌注的水泥浆膨胀时，在灌浆和钢质卡箍交界面产生径向 力，达到应力灌浆卡箍的效果，膨胀灌浆相对正常的灌浆方法更难以实施，且灌浆材料 的长期完整性也需要进一步考虑、验证。e l n a s h a i 对加压灌浆进行研究硎，通过薄钢片 形成次级灌浆环空的方法，在加固构件上可产生径向压力，在灌浆上施加力并保持压力 直至固化。对主环空灌浆并固化，次级环空在压力下灌浆，为避免由于在压力下的化学 收缩导致的初始预应力损失，次级环空的厚度要非常小( 正常情况下1 ，8 英寸或更小) 。 这导致构造问题，因而这一技术一直没有实际应用。 t h a n d a v a m o o r t h y 等人在文献 2 9 ，3 0 1 q 3 提出采用网格增强水泥( 采用高强度环氧树腊 脚煤灰缈浆) 构件的非应力灌浆卡箍。其试验在修理疲劳破坏的管节点上进行，作者认 为钢丝同水泥夹套要比金属的套筒有更好的耐腐蚀性能，并且特定研究的灌浆要比普通 水泥灌浆有更好的弯曲强度。b 吨e r e t t e r d a l 等人在文献【3 i 】中对高强度水泥对k 型管节 点的加固效果进行实验及有限元模拟计算，如图1 6 所示。 圈i q 5 潞试疆浆加固k 型瞥节点的装置 f i g 1 - 6 t e s ts e t u p f o r 她t o f g m u b 嘣自n e d m b u h r k - j o i m s f 3 ) 焊缝处理应用 焊缝处理方面，f i s h e r 提出平台节点焊缝处裂纹的修理方法，应用空气锤敲击焊趾 可以有效提高焊缝的疲劳强度，并可咀修理已经出现裂纹的焊缝，对于稍大的裂纹可以 使用气钨弧焊，对于穿透裂纹，则使用打孔的方法修理，f r e d b o r g a n d r c a s i ”嚏出空气锤 敲击法和针式敲击法。 f 4 ) 构件去除应用 构件去除主要是防止受损构件受损部位扩大影响其他构件，在波浪作用区域的多余 不承受平台力的单元，以及水线上下的构件单元都可采取构件去除的方法。很多时候由 于要进行水下部位的修理，一些结构或非结构构件也进行去除在卡箍修理时也需要进 行构件去除的施工。s t e v e n s o n 和s l e v e l a n d ，以及l a n gg p 等人建议采用构件去除的方法 ，d a n i e l 等人以及s o u z a 对墨西哥湾的平台构件去除修理进行报道口3 , 3 4 1 。图i 7 展示了 管节点损坏后移除和安装新管节点的情况。 田1 7 击除损坏管节点和安装新的管节点 f 蜒，一7 r e m o v a lo f t h e d a m a g e d j o i n t a n d i n s t a l l a t i o n o f b o w j o i n t ( 5 ) 复合材料平台维修应用 复合材料的使用使海洋平台的修理方法更加多样，复合材料的比强度和比刚度较 高，复合材料一般是一种纤维材料在基体材料( 粘贴肋的配合下，使加固材料提供抗拉 性能。纤维材料有玻璃纤维、碳纤维等等。 m m s 、h s e 等机构针对纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，f r p ) 进行一系 列的研究，在删s 资助下，d n v 于2 0 0 3 年颁布标准c o m p o s i t ec o m p o n e n t s 。相应的一 些企业和个人也对复合材料进行的研究。d a v i d p i c a r d 和w l l i 锄h u d s o n 对于复合碳管在 深海管道隔水管方面进行研究唧，t u r t o n 等人在文献【3 6 】中利用碳纤维胶条对q i n c t i q s 容器进行修补，也利用碳纤维布进行海洋结构的加强，f u r m a n i t e 公司已经在北海南面英 格兰洛斯托夫特瓷( i , o w e s t o 鼬东北7 2 公里的莱曼a f l e m a na l p h a ) 平台成功应用碳纤维 修理技术。图1 - 8 展示复合材料在平台管节点维修中的应用情况。 田l 复台材料在管节点维修上的应用 f 喀l 8a p p l i c a t i o no f f r p f o r d a m a g e d j o i n tr e p a i r 国外学者在试验研究的基础上对纤维增强复合材料相关的理论进行研究，其中纤维 试验有单丝拉伸试验以及单束试验”】，纤维本身的特性影响复合材料的整体性能，而 基体材料的特性不但影响复合材料本身整体性能，还存在是否能阻止、减弱被加固材料 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：老龄平台延寿数字化管理系统研究 与纤维材料之间电化学腐蚀的问题【3 w 。 对于复合材料涂层方面的研究，g e t t i n g s 和k i n l o c h 发现耐久性只有在钢材表面和聚 硅氧烷底涂层之间有基本的粘接时才能获得提高。s c h n e r c h 等人也发现，虽然不知道是 否因为阴极反应或者由于阴极反应的化学腐蚀作用而导致，一般来说阴极表面的聚合材 料性能会发生退化【4 0 1 。t a v a k k o l i z a d e h 在2 0 0 1 年针对不同环氧树脂厚度和不同纤维大小 的情况，进行c f r p 与钢材之间在经受海水的情况下的腐蚀速度问题试验【3 9 1 。 1 2 2 平台数字化维修管理系统及虚拟仿真技术 k r i e g e r l 8 】针对老龄浅海固定平台的低失效维修，提出一种选择成本效率策略。墨西 哥学者r o d r i g u e z s a n c h e zj e 在文献 4 1 1 q b 提出“简单修理”理论，在可靠性模型及剩余 强度计算方面，m i c h a e l 将基于风险检测应用于结构延寿过程。w a l k e ra c 提出应用非线 性有限元方法计算平台在极限载荷下的应力状态，可使计算结果更为准确【4 2 | 。 d n g a l b r a i t h 研究海洋装备结构完整。n ? 管n ( s i m ) t 4 引，提出老龄海洋装备的延寿管理系 统。上述成果有力地促进平台延寿技术的发展，相关技术已申请专利保护，同时还开发 一批平台剩余寿命、强度评价的应用软件，如平台寿命再评价软件系统d a s s a u l t 、平台 再评估的软件t o p c a t 等。目前己形成一套完整的应用技术体系，应用于北海和墨西哥 湾海上油田，成效显著。老龄平台安全运行延寿技术也被相关i s o 、美国a p i 规范等国际 标准所接受 4 4 , 4 5 。 国内欧进萍等人在文献 4 6 】一书中针对海洋结构的安全评定开发了海洋平台结构检 测维修、安全评定与时时监测系统( i m r s e m ) ，作为“八五”科技攻关项目“海上结构 物检测、维护与修理”和“九五”科技重点项目“现役固定式海洋平台结构体系可靠度 分析与安全评定”的成果软件，在实际工程项目中得到良好的应用。 国外的虚拟技术已经取得很大的成功，世界著名制造公司如波音公司等都广泛应用 虚拟样机技术。目前，虚拟技术已开始应用于海洋工程，如应用虚拟现实技术构造海底 装备布置的原型设计，构建水下环境和水下运载工具的虚拟模型；基于“虚拟海洋”来对 超大型海洋浮动装置的数字模型进行动力仿真，确定不同海况下系统的动态特性；此外 还应用a d a m s 机械仿真系统，对不同海况下浮动装置上起重机的起升能力进行测评【4 7 l 。 2 0 0 3 年巴西开发成功基于虚拟现实技术的浮式平台设计与仿真系统。在国内也开始对虚 拟样机技术的应用。主要应用在一些机械结构的仿真方面，对海洋平台方面的应用还处 于概念阶段，并未有实际的工程应用成果j 。 1 3 本文主要研究工作 本文以信息技术、数字化管理，有限元的理论为支撑，对老龄导管架平台延寿涉及 的技术和方法进行研究，建立老龄导管架平台数字化有限元模型，以及相应的管节点局 部细节数字化模型，开发老龄导管架平台延寿管理软件。 主要涉及的工作有： ( 1 ) 老龄平台结构数字化模型以及载荷数字化模型研究 ( a ) 老龄平台整体结构数字化有限元模型的研究及相应数据库的建立。 8 第1 章绪论 ) 老龄平台载荷类型分析及载荷数据库的建立。 ( 2 ) 老龄平台维修加固数字化模型研究 ( a ) 损伤类型的分析。 ( b ) 典型的维修加固方法的结构数字化模型及有限元模型的研究。 ( c ) 维修加固效果的计算分析及数据库的建立。 ( 3 ) 老龄平台检测信息数据库设计 ( 4 ) 老龄平台延寿数字化管理系统软件实现 ( a ) 数字化管理系统框架构建。 ( b ) 基于a c c e s s 的数据库管理。 ( c ) 软件的应用实例。 9 十自i 大学f 4 京l 硕学位论z ：老龄 音# 化管4 幕研究 第2 章老龄导管架平台延寿数字化管理系统总体设计 为建立老龄导管架平台的延寿数字化管理系统本章将对其整体框架进行设计，划 分其功能模块，对模块结构组成和模块之间的数据库接口进行设计。为更好的进行老龄 导管架平台分析管理对目前常用的编程软件和数据库系统进行研究，选择适宜本管理 系统的编程软件和数据库。 2 1 数字化管理系统框架设计与模块划分 2 1i 数字化管理系统框架设计 老龄平台延寿数字化管理系统整体框架如图2 1 所示，整个过程以管理系统为总线， 通过对老龄平台结构数字化模型和载荷数字化模型的计算分析，结合检测数据，判定老 龄平台结构是否完好完好则形成相应的计算结果完好报告，如果发现缺陷损伤，就结 合适当的维修加固方法对损伤部位进行维修加固后的计算，然后根据计算结果生成相应 的维修加固后使平台延寿的报告。 维学舶j 墓簸w 揖i 1 图 l 系统框架 f l 昏2 - 1s y s t e mf r a m e w o r k 212 数字化管理系统模块划分 整个老龄平台延寿数字化管理系统大体可以分成四个模块：前处理模块，计算分析 模块、结果分析后处理模块和数据库接口模块。 前处理模块 前处理模块主要进行老龄平台各模型的读入工作。主要包括老龄平台结构数字化模 第2 章老龄导管架平台数字化管理系统总体设计 型、载荷数字化模型、管节点局部数字化模型、损伤数字化模型和维修加固数字化模型。 各种数字化模型的输入均需要通过前处理模块来实现，因此前处理模块应提供一个良好 的人机交互界面，方便用户操作。本文根据老龄导管架平台的分析过程，对前处理数据 输入模块进行设计，结构如图2 2 所示。 图2 2 前处理模块设计 f i g 2 - 2 m o d u l ed e s i g no fp r e p r o c e s s i n g 但) 计算分析模块 计算分析模块主要进行老龄平台的数字化模型计算工作。计算分析模块主要根据前 处理模块生成的a p d l 命令文件，后台调用a n s y s 有限元分析软件进行计算，并可以 根据是否有损伤、是否进行维修加固，对损伤数字化模型和维修加固后的数字化模型进 行再分析，并根据用户选择的输出结果将计算结果输出到文件中。计算分析模块结构如 图2 3 所示。 图2 3 计算分析模块设计 f i g 2 - 3 m o d u l ed e s i g no fc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ( 3 ) 结果分析后处理模块 结果分析后处理模块主要对计算结果进行图形显示和报告输出。主要实现数据可视 化输出，方便用户形象、快速、直观查看计算结果。包括结构数字化模型图形显示、应 力云图显示等。结果分析后处理模块结构如图2 4 所示。 圈 4 结果分析后处理模块设计 f i g 2 - 4 m o d u l ed e s i g no f r e s u l ta n a l y s i sa n d p o s tp r o e e f “i a g ( 4 )数据库接口模块 数据库接口模块是存储各种数字化模型的仓库和连接各个模块之何的桥梁。数据库 接口模块主要存储结构、载荷、损伤、加固维修方法等的数据，方便前趾理模块的调用 和用户的修改。同时，还可以根据整体数字化模型相应节点的数据，调用管节点局部数 字化模型、损伤数字化模型、维修加固数字化模型内的相应数据，从而实现对该管节点 处的损伤加固维修分析。数据库接口模块的结构如图2 - 5 所示。 ? 一 数据库 圈 5 数据库接口模块诖计 f i g - 2 - 5m o d u l e d e s i g n o f d a t a b a s e i n t e r f a c e 2 , 2 编程语言及数据库选择 笺一 第2 章老龄导管架平台数字化管理系统总体设计 2 2 1 编程语言 现在主流的面向对象程序语言有很多，主要有v i s u a lb a s i c 、c + + 、j a v a 、c 撑、d e l p h i 和p y t h o n 等。其中v i s u a lb a s i c 易学易用，功能强大。v i s u a lb a s i c 是在b a s i c ( b e g i r m e r s a l l p u r p o s es y m b o l i ci n s t r u c t i o nc o d e ，初学者通用的符号指令代码) 基础之上发展起来的， 它继承了b a s i c 语言容易入门、容易使用的特点。v i s u a lb a s i c 是一种可视化的、面向对 象的，采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可以用它来进行w i n d o w s 操作系 统下各类应用程序的编写。v i s u a lb a s i c6 0 所提供的开发环境与w i n d o w s 具有完全一致 的界面，使用更方便，其代码执行效率己达到s u a lc + + 的水平。开发环境使用起来也 非常直观，很适合作为第- f - j 程序设计语言来学习。目前，v i s u a lb a s i c 有着最大的用户 群，很多实用的软件都是用它编写的，而且关于v i s u a lb a s i c 的资料很多，在网上有大量 的源代码、组件和开发技巧等，大多可以免费下载，这些都有利于学习和使用v i s u a l b a s i c 4 9 , 5 0 。 其次，m i c r o s o f t 公司非常重视v i s u a lb a s i c 程序设计语言的开发，在其中引用了最 新的程序设计思想，并不断把最新的技术运用到v i s u a lb a s i c 中。例如，可以用v i s u a l b a s i c6 0 设计a c t i v e x 控件，可以用v i s u a lb a s i c6 0 直接编辑和访问多种数据库，还可 以使用v i s u a lb a s i c 的脚本语言v bs c r i p t 进行w e b 开发，进行电子商务网站设计。 第三，提高开发效率，缩短开发时间。由于v i s u a lb a s i c6 0 简单易学而功能强大， 因此程序设计人员可以将精力集中在程序设计上而不是语言上，也就是说v i s u a lb a s i c 程序员通常主要关心程序本身的构建问题而不是一些繁琐的语言特性，所以使用v i s u a l b a s i c 可以进行高效率、短时间的快速应用开发，同时有利于对软件开发过程进行质量 控制。 第四，使用嵌入式v i s u a lb a s i c 语言v bf o ra p p l i c a t i o n ( v b a ) 能对流行软件( 如 m i c r o s o f to f f i c e 、a u t o d e s k 、a u t o c a d 、c o r e l d r a w 等) 进行二次开发。 总之，v i s u a lb a s i c6 0 是w i n d o w s 操作系统上一个强大的开发工具，无论是初学者 还是专业人员都可以方便地使用它进行程序设计。 综合考虑软件开发效率、计算精度要求、语言熟悉程度等因素，本文采用v i s u a lb a s i c 为编程语言和v i s u a lb a s i c 6 0 为编程工具进行开发。 2 2 2 数据库选择 数据库( d a t a b a s e ) 是数据存放在计算机内、有组织的、多种表现形式的可共享数据集 合。数据是描述事物的符号记录，符号可以是数字、文字、图形、声音等各种形式，符 号数字化后存入计算机就成为数据。数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，缩 写为d b m s ) 是能有效组织、存储、管理数据的计算机系统软件系统。 m i c r o s o f ta c c e s s 作为一种关系型数据库管理系统，是w i n d o w s 下最为流行的桌面数 据库管理系统。a c c e s s2 0 0 3 是中文o f f i c e 中的重要组成部分之一，具有功能强大、界面 友好、操作简单、易学易用等优点，是中小型信息管理系统理想的开发环境【5 1 , 5 2 】。 f 1 ) v i s u a lb a s i c 访问数据库技术 v i s u a lb a s i c 访问数据库技术分为以下几个部分： ( a ) m i c r o s o f t 可视化数据工具( m i c r o s o f tv i s u a ld a t at o o l s ) 。使用v i s u a lb a s i c6 0 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：老龄平台延寿数字化管理系统研究 可以创建将每个步骤封装在数据访问系统中的部件。从数据源开始，m i c r o s o f t 可视化数 据工具( 可以通过“数据视图”窗体访问) 提供了在a c c e s s 、s q ls e r v e r 和o r a c l e 系统中 查看并操作表和视图的功能。 ( b ) 中间部件和m i c r o s o f tt r a n s a c t i o ns e r v e r ，在生成自己的a c t i v e xd l l 和e x e 时，用户还可以在应用程序中使用v i s u a lb a s i c 创建中间层部件，v i s u a lb a s i c 现在的增 强功能允许用户自定义应用程序，以便同m