海洋平台设计

1、由于海洋平台在恶劣的海洋环境中作业，其可能受到的外载荷及结构强度标准都很难精确的确定，再加上人们对海洋平台设计和使用还缺乏经验，所以平台的重大事故不断发生。1979年中国的“渤海二号”自升式平台翻沉，死亡72人，直接经济损失达3700多万元；1980年挪威的“亚历山大.基尔兰”半潜式平台倾覆，死亡123人；1983年中国“爪哇海”号半潜式平台倾覆死亡84人；1988年7月北海的PiperAlpha导管架平台因天然气泄漏，与明火相遇发生爆炸，死亡167人，直接损失9亿美元；2001年3月15日巴西P36半潜平台发生爆炸后沉没。从从打捞的实物证实，全船甲板上共打捞的实物证实，全船甲板上共有有101

2、0个通风筒，被风浪打掉个通风筒，被风浪打掉4 4个，个，大量海水涌入泵舱、机舱，动力机大量海水涌入泵舱、机舱，动力机械停止运行，械停止运行，无法排水，造成船体无法排水，造成船体负荷迅速增加，丧失了稳定性，导负荷迅速增加，丧失了稳定性，导致在风浪中沉没致在风浪中沉没。船体船体设计上存在严重缺陷。该钻井设计上存在严重缺陷。该钻井船是船是19681968年日本制造的，主甲板通年日本制造的，主甲板通风筒设计很不完善，通风筒的船体风筒设计很不完善，通风筒的船体基底太低，没有风雨密封关闭装置，基底太低，没有风雨密封关闭装置，通风管道没有水密封舱隔离阀。其通风管道没有水密封舱隔离阀。其心脏心脏舱室舱室机舱机

3、舱、泵舱又毫无遮、泵舱又毫无遮蔽，是一个没有隔离间的通舱，也蔽，是一个没有隔离间的通舱，也没有设计应急的排水系统和发电设没有设计应急的排水系统和发电设备备。当时当时拖航状态按计算可抗拖航状态按计算可抗1212级台风，级台风，如果如果4 4个通风筒不被打掉，或打掉个通风筒不被打掉，或打掉后有密封装置，是不会在后有密封装置，是不会在1010级大风级大风下冲击翻沉的。下冲击翻沉的。“渤海二号渤海二号”“爪哇海爪哇海”号号隶属美国得克萨斯州环球海运公司隶属美国得克萨斯州环球海运公司, ,是是美国美国19741974年建造的自航式钻井年建造的自航式钻井船，总长船，总长121.20121.20米米, ,宽

4、宽19.8119.81米满载排水量为米满载排水量为1100011000多吨。由于它设备先进多吨。由于它设备先进, ,主作效率高主作效率高, ,可在各种恶劣条件下作业可在各种恶劣条件下作业, ,它的船东自豪它的船东自豪地把它地把它称为称为“全天候钻井船全天候钻井船”。这条船曾先后在美国、。这条船曾先后在美国、墨西哥和委内瑞拉等海域钻探作业、共打了墨西哥和委内瑞拉等海域钻探作业、共打了7070多口井多口井, ,立下了立下了战功。战功。19821982年年9 9月月, ,我国海洋石油总公司与美国我国海洋石油总公司与美国阿科公司签订了阿科公司签订了合作开发莺歌海合作开发莺歌海部分海域石油和天然部分海域

5、石油和天然气合同。于是气合同。于是,“,“爪哇海爪哇海”便租给阿科石油便租给阿科石油公司，并公司，并于于19831983年年3 3月到达我国月到达我国三亚港三亚港。“爪哇海爪哇海”号在号在19831983年年1010月月2525日日2323点点5555分左右倾覆和分左右倾覆和沉没沉没, ,它是由于它是由于6 6号和号和7 7号右舷边舱进水号右舷边舱进水, ,或或由台风产生由台风产生的的大浪倾覆作用的大浪倾覆作用的结果；以及结果；以及靠近靠近9191号隔壁处船体的号隔壁处船体的纵向或横向裂缝引起的。纵向或横向裂缝引起的。 P-36号平台是15日凌晨发生爆炸的，2人当场死亡，1人重伤，9人失踪。随

6、后，巴西石油公司展开了紧急救援，雇用潜水员，向平台舱内灌注氮气和压缩空气，曾使平台停止下沉，倾斜度也从25度减少到23度。但因气候条件不好，风大浪高，救援工作被迫中断。20日凌晨，平台再次开始下沉，倾斜至27度，虽经奋力抢救，但最终未能遏止平台沉没。P-36号平台是巴西最大的海上平台，也是世界上最大的半浮动式海上油井平台之一。耗资3.56亿美元修建的这座平台长112米，高119米，相当于一栋40层高的大楼。平台于1999年1月建成，2000年3月投入使用。根据设计方案，使用寿命为19年，能开采1360米深的海底石油。设计生产能力为日产石油18万桶，天然气7500万立方米。2001年3月15日凌

7、晨，巴西石油公司在里约热内卢附近海域上的P-36号海上石油平台连续连续3次发次发生爆炸，生爆炸，导致最少2人死亡，1人负重伤及8人失踪。这次事故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。事故使巴西预计2005年实现石油自给的目标推迟年才实现。卫星拍摄的泄露油污原油泄漏已经形成了一条长达100多公里的污染带。20102010年，埕北胜利年，埕北胜利3 3号号油田倾覆油田倾覆Alexander L. Kielland 翻沉过程The Alexander L. Kielland was a Pentagon-type semi-submersible and,

8、in 1980, was located in the Ekofisk Field for Phillips Petroleum. It was supporting the Edda rig, acting as a so-called flotel (a floating hotel) for workers who travelled between the two rigs via a bridge, although this bridge had been raised prior to the accident due to gale force conditions. Arou

9、nd 1830 hours on 27 March 1980, one of the main horizontal braces supporting one of the five legs failed. The failure of the brace was attributed to a fracture which had developed around a hole in which a hydrophone, used to aid the positioning of the rig, had been installed. After the failure of th

10、e first brace, the remaining five braces attached to the leg failed in quick succession causing the leg to break off. The rig almost immediately listed to one side at an angle of 35 degrees, partially submerging the main deck and accommodation block.1988年7月6日,英国北海PiperAlpha石油天然气平台发生爆炸事故,死亡165人,获救61人

11、。PiperAlpha平台于1976年末开始生产。此平台开发的Piper油田,油藏面积大约为18.8km 2 ,位于西方石油公司于1973年中标的15/17区块。平台设计生产能力为日产原油25万桶。平台事故发生的直接原因：平台事故发生的直接原因：结构强度储备不足；结构强度储备不足；浮力储备和稳性不足；浮力储备和稳性不足；操作不当操作不当。海洋平台的安全性一般是通过保证外海洋平台的安全性一般是通过保证外载荷效应小于相应的结构承载能力的载荷效应小于相应的结构承载能力的某个百分数的方法来达到的。也就是某个百分数的方法来达到的。也就是结构强度上保留一定的结构强度上保留一定的安全储备安全储备。结构破坏并

12、不意味着结构破裂断开结构破坏并不意味着结构破裂断开，它只是一种不允许出现的极限状态。它只是一种不允许出现的极限状态。海洋平台的结构破坏模式：屈服失效对于屈服失效，其强度条件为：屈曲失效在扰动作用下，直线平衡构形转变为弯曲平衡构形，扰动除去后，不能恢复到直线平衡构形，则称原来的直线平衡构形是不稳定的。此时发生的失效形式即为屈曲失效。 对于压杆的屈曲失效模式，有： 疲劳失效金属在循环载荷的作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。若零件所受的变幅载荷有m级，则在不同级的循

13、环应力下所造成的总损伤度为:脆性破坏失效材料失效时未产生明显的塑性变形而突然断裂。脆性材料如铸铁等以脆断为失效标志。 4.1平台结构的设计步骤和方法1.平台结构设计的一般步骤根据平台作业海域环境条件、海底土壤特性、平台使用要求、安全性、营运性能、建造工艺和维护费用以及业主的希望等选择平台的结构形式方案。对多种方案进行比较，确定最佳方案，以设计出满足各 项设计条件，同时经济性能优良的平台结构。初步选定一种结构型式，确定平台主尺度，具体进行总布置。如果是移动式平台，还要进行运动性能和稳性的校核。结构安全性校核。需进行外载荷计算、强力构件尺寸的初步确定和构件材料的选取等工作，最后进行结构的总体强度分

14、析。在结构强度尺寸确定后应对在总体布置时估算的结构重量进行校核，看其与实际是否一致，若相差较大还需进行调整。局部节点结构设计，平台节点是重要的结构部位，它的强度和施工工艺往往直接影响着平台总体结构的寿命。2.平台结构的强度分析方法分析方法设计波法：又称确定性法，是以100年一遇的规则波作为设计波，然后计算作用在平台上的使用载荷和环境载荷以及在这些载荷作用下的构件应力，并根据规范的强度衡准，校核平台的结构安全性。设计谱法：又称随机性法，考虑了实际海面的随机性和不规则性。实际的海面可以看作是由各个不同周期不同波高的成分波组成，这些波浪可以用能量谱来描述。然后按照概率论的谱分析方法，可以求得平台在不

15、规则波中的结构响应。即在线性叠加原理的假设下，把平台在不规则波中的响应看作是由各个规则成分波所引起的相应的总和。两种方法的优缺点：设计波法的优点是计算简单，可以采用高阶波浪理论，能够记入海流的影响，波浪的非线性成分较容易处理；缺点是没有反映平台在实际海面上受到载荷的随机性。设计谱法的优点是能够较好的描述平台在不规则波中的响应特性；其缺点是波浪力及锚泊力的非线性问题很难直接考虑，尤其是对恶劣海况时的波浪的非线性问题更为突出，通常都要近似地做线性化处理，此方法更复杂，计算工作量也大得多。4.2设计中应考虑的几个问题1.1.空气隙空气隙在上层模块的最低甲板至海浪高度之间在上层模块的最低甲板至海浪高度

16、之间的空隙的空隙，又称为波浪余度。又称为波浪余度。设计时一般取为设计波高的10，最小值1.5m 。空气隙对平台整体的安全性是至关重要的。对重力式平台而言，过低的甲板高度会引起局部损伤，对导管架平台，如果波浪打在甲板上，这时作用于水下结构的水动力及甲板上的曳力会联合作用产生倾覆力矩。2.偶然性损伤事故防护：海洋工程结构物的设计必须考虑系统停靠船舶的偶然性碰撞，生产过程中偶然失落的管件、零件都会造成桩腿、撑杆等钢结构的破损，使整体强度降低，施工过程中下落的零件垃圾又会加速水下钢构件的腐蚀过程。为防止事故发生，针对不同的结构科采取不同的措施，如单点系泊装置，可在水面附近设防撞装置， 装设屏蔽区和局部

17、加强结构的防护系统。立管要远离供应船的系泊位置，远离吊车，以防物体下落砸伤。3.便于检修：所有构件都应便于检修，否则，设计时应考虑增加强度和使用寿命。4.3设计载荷1.环境载荷指由风、海浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的载荷，主要有风载荷、波浪载荷、流冰载荷、地震载荷等。这些载荷可根据平台的设计环境条件进行计算，在设计时取风、浪重现期不小于50年。2.使用载荷平台在使用期间，除环境载荷以外的其他载荷。包括固定载荷和活载荷。固定载荷是指作用在平台上的不变载荷，如设备自重，附属结构重量，固定不变的机械设备管线重量和作用于平台水下部分的浮力等。活载荷则是指与平台使用有关的载荷，分

18、为可变载荷和动力载荷。可变载荷包括人员及其生活必需品的重量等； 动力载荷包括动力机械和设备运转时所引起的周期性载荷，平台钻井起下钻作业、吊机起重、船舶停靠及直升飞机降落等引起的冲击载荷。3.施工载荷：平台在建造及海上吊运安装过程中所承受的载荷。这些载荷会使一些构件产生瞬时的高应力。因此，尽管这些载荷不是结构设计的控制载荷，通常也需校核这些载荷对平台结构所产生的影响。4.环境载荷的计算环境载荷是平台结构设计的控制载荷，由于受到环境条件等因素的影响，计算比较复杂。1)作用在构件上的风力式中，P风压，P0.613V2（Pa）V设计风速 （m/s）S平台在正浮或倾斜状态时，受风表面的正投影面积（m 2

19、 ）Ch和CS分别为高度系数和构件形状系数。2）波浪载荷计算物体上的波浪载荷，首先应该根据设计波高、周期、构件所处水深以及构件尺度与波长之比D/选定适用的波浪理论。一般波浪诱导载荷可以分为三种：曳力、惯性力和绕射力。曳力：由于物体造成水流的扰动引起的；惯性力： 由于入射波压力场引起的作用力； 由于水惯性力引起的附加质量力；绕射力：由于考虑物体的作用，而使波浪发生绕射时引起的作用力。对于小尺度构件，波浪的曳力和惯性力是主要分量；对于大尺度构件波浪的惯性力和绕射力是主要分量。Morison公式的表达式为：垂直柱体在水平方向单位长度上受到的波浪力为：波浪与流联合作用于垂直柱时在水平方向单位长度上受到

20、的力为：式中 U流速Morison公式是一经验公式，使用起来必然有与经验相联系的问题。其中困难在于如何恰当的选取Cd和CM。4.4平台结构分析及局部详细设计1.结构分析结构构件的变形构件内部的应力状态构件的屈服、极限载荷、屈曲稳定、脆裂、疲劳断裂分析如果是固定式平台还要进行基础分析。2.管节点的设计管连接是指一个或多个作为撑杆的管子断面用融焊连接至另一个作为弦杆的外表面保持原状的管子的一部分结构。管节点是指两个相交构件表面形成的接合部分。基于节点的类型、节点参数和载荷条件，结构管节点的破坏形式：弦管壁的破坏（冲剪）初始裂纹使张力撑杆从弦管处分离压力负载撑杆附近弦管壁的局部屈曲弦管整个横断面的剪

21、切破坏张力撑杆附近弦管壁的层状撕裂1）平面管节点参数热点在管节点的弦管内有时会产生巨大的薄膜应力，不管撑杆的载荷如何传递，沿焊缝的一些点总会产生应力集中。这些应力集中在一定的临界位置引起的应力较无应力集中时要高若干倍。应力集中的位置称为热点。尺度比：为了描述管节点方便，应用三个几何尺度比：最重要的是直径比d/D，即撑杆的直径除以弦管直径；一般选在0.40.7的范围内；比值为弦管直径除以弦管的的壁厚，表示弦管壁厚的厚薄指数；一般选在715的范围内；比值为撑杆壁厚除以弦管壁厚，它是撑杆横截面断裂以前弦管壁可能破坏的一个指标；一般选在0.50.7的范围内。2）管节点的疲劳有时裂纹会在低于纯静载下材料

22、的屈服应力的作用应力重复作用下形成，这种断裂被认为是疲劳破坏。考虑到近海平台上海浪引起的随机载荷的情况，与通常的疲劳状态有两个重要的区别：载荷变化率低，海浪以大约每分钟10周每小时600周的比率通过近海结构。近海结构浸没在腐蚀的介质中。由于拉伸应力使疲劳裂纹扩展，而如果金属呈拉伸应力则金属腐蚀加速。3）层状撕裂及预防产生原因层状撕裂通常发生在全焊透的T 形角焊附近，呈平行于钢板轧制方向的阶梯状裂缝，焊接接头焊后冷却期间，材料的塑性明显降低，而钢板厚度方向受到很大的刚性约束时，容易发生层状撕裂。层状撕裂的产生与钢材、工艺及设计三个方面有关。预防措施减少钢材中的含硫量以及焊缝中的含氢量；注意缓和T型角接焊缝的拘束度，减少贯穿板材在厚度方向的焊接残余应力；钢材使用前对于重要节点一些厚度方向受力大的钢板进行全面超声波探伤检查，防止缺陷；提高焊缝质量；将节点做成铸件，在与各圆管进行焊接。4.5腐蚀与防腐