半潜式钻井平台极限强度及裂纹缺陷评估的研究

摘要

半潜式钻井平台是海洋石油开发的关键设施之一。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，往往引起应力集中、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ABAQUS软件，在BS7910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DNV的审核。 本研究主要工作如下： 根据DNV规范，并利用高级有限元软件ABAQUS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Green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ECA(EngineeringCriticalAssessment)评估软件，对探伤发现的裂纹的可接受性进行了ECA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ABAQUS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)船体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ABAQUS的接口问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:附图

第一章绪论

1.研究背景

2.含缺陷结构完整性评定的发展现状

3.老龄平台为什么需要安全评估

4.南海五号平台评估的必要性

5.本文主要内容

第二章南海五号平台结构的模拟

1.南海五号平台结构概述

1.1平台结构主尺寸

1.2主甲板

1.3甲板上层建筑

1.4管道堆场

1.5钻台

1.6立柱

1.7浮箱

1.8管状斜撑

2.结构有限元模拟

2.1几何模型

2.2结构材料

2.3结构偏心的处理

2.4边界条件

2.5整体有限元模型

3.本章小结

第三章载荷及载荷工况

1.工况概述

2.功能载荷

2.1可明确计算的设备重量

2.2不能明确计算的设备重量

2.3模型重量统计

3.环境载荷

3.1设计环境条件

3.2重量和稳性参数

3.3波浪参数

4.载荷工况

5.南海五号计算工况

6.本章小结

第四章南海五号平台结构设计条件下波浪载荷的计算

1.概述

2.设计环境条件

3.海上浮式结构波浪载荷计算理论

3.1坐标系

3.2浮式结构的三维水动力

3.3浮式结构在规则波中的运动方程

3.4浮式结构表面脉动压力与与剖面载荷

3.5南海五号半潜式平台结构波浪载荷计算网格

3.6波浪载荷计算值与现场测试值的比较

4.南海五号平台主要参数

4.1重量和稳性参数

4.2波浪参数

5.载荷工况的选取

5.1载荷工况

5.2临界载荷工况参数

6.南海五号平台结构波浪载荷计算结果

6.1作业状态

6.2自存状态

6.3迁航状态

7.本章小结

第五章南海五号极限强度评估

1.简介

2.平台材料和安全系数

3.分析结果

3.1作业状态

3.2自存状态

3.3迁航状态

4.本章小结

附录5A平台主要结构的最大应力

第六章南海五号平台结构腐蚀现状评估

1.简介

2.有限元模型

3.评估工况

4.分析结果

4.1作业/静水工况

4.2作业/横浪/最大横向拉伸

4.3作业/迎浪/中拱

4.4作业/地震(加速上升)

4.5作业/斜浪/最大纵向剪切

4.6自存/静水

4.7自存/横浪/最大横向拉伸

4.8自存/横浪/最大横向压缩

4.9自存/斜浪/最大扭转

5.本章小结

6.附录

第七章南海五号裂纹断裂评估

1.概述

2.表面裂纹前沿断裂参量

3.1裂纹概况

3.2裂纹构造原理

3.3裂纹局部有限元模拟

3.4裂纹局部断裂力学分析

3.5板厚对断裂力学参量分布的影响

3.基于“合于使用”原则的裂纹断裂评定方法

3.1“合于使用”原则

3.2断裂评定方法

4.裂纹断裂评估

5.本章小结

第八章结论

参考文献

博士后研究期间发表的学术论文

致谢