抗冰平臺結構的性能設計分析與驗證研究.pdf

1、寒區(qū)抗冰平臺結構的設計一直存在諸多具有挑戰(zhàn)性的課題。特別是近年來，隨著海洋油氣資源開發(fā)的日益追求經(jīng)濟性效益，抗冰平臺結構的設計越來越趨于經(jīng)濟性設計。然而這些抗冰平臺結構在運行中普遍存在冰激振動問題，致使平臺結構存在多種失效模式，甚至嚴重冰激振動下會導致平臺結構的性能喪失。因而，如何滿足各種性能需求的抗冰平臺結構設計是值得深入研究的課題。
　　寒區(qū)抗冰平臺結構的性能是由多種性能需求共同構成的。抗冰平臺結構的設計過程包含概念設計、初步

2、設計和詳細設計三個階段，其中概念設計和初步設計是決定抗冰平臺結構性能的設計階段，很有必要開展深入的研究分析工作。因而本文在平臺結構現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)分析及相關研究成果的基礎上，開展了抗冰平臺結構性能設計理論、隔振錐體減冰振策略以及簡易混凝土平臺結構抗冰振性能設計等方面的研究分析工作。
　　寒區(qū)平臺結構現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)是抗冰平臺結構性能設計研究的基礎，其中渤海冰區(qū)已經(jīng)開展了數(shù)年的現(xiàn)場測量工作，并取得了很多有價值的測量數(shù)據(jù)。本文介紹了渤海海冰信

3、息及平臺結構冰激振動響應的現(xiàn)場測量體系，以及測量方法、原理及技術等最新研究進展。在海冰荷載形成機理、冰力計算模型以及平臺結構冰振失效機理等最新研究成果的基礎上，給出了抗冰平臺結構的性能評估指標。根據(jù)平臺結構現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)及性能評估指標，對JZ20-2海域的三座抗冰平臺結構進行了性能評估比較分析。
　　油氣資源特點、開發(fā)模式和平臺結構靜、動力性能需求是抗冰平臺結構性能設計的主要影響因素。闡述了抗冰平臺結構性能設計是滿足安全性能、適用性

4、能及經(jīng)濟性能要求的結構設計方法。討論了抗冰平臺結構性能設計應該滿足的設計控制限值，包括安全性能的強度設計限值、適用性能的冰振失效限值以及構件截面幾何尺寸設計限值等。通過平臺結構冰振失效和減冰振策略分析，給出了抗冰平臺結構基于性能的動力設計流程。以JZ20-2油氣田為例，進行了適合該油氣田開發(fā)的抗冰平臺結構概念設計、平臺結構選型等分析。
　　抗冰平臺應用隔振錐體減冰振是利用了海冰物理力學特性和隔振原理。即海冰彎曲破碎強度低于壓縮強度

5、以降低冰力，同時，動冰荷載作用下隔振錐體發(fā)生主要的冰激振動響應，以減少傳遞給平臺結構的冰激振動能量。計算分析了彈簧剛度和阻尼對隔振錐體設計的影響。結果表明彈簧剛度是影響隔振錐體設計的主要因素，同時適當?shù)淖枘崮軌蛭毡ふ駝幽芰?，有利于降低平臺結構的冰激振動響應。以JZ20-2MUQ平臺結構為例，應用數(shù)值仿真分析方法驗證了隔振錐體的減冰振效果。
　　以JZ20-2油氣田為例，應用實例推理方法進行了基于性能的抗冰平臺結構初步設計分析。

6、包括平臺結構主樁腿及支撐桿件布置方案選擇，隔振錐體設計參數(shù)計算以及各性能設計限值控制條件下的平臺構件截面幾何尺寸參數(shù)設計。對基于性能的抗冰平臺與JZ20-2MUQ原型平臺的結構設計參數(shù)及結構性能參數(shù)的進行了對比分析表明，基于性能的抗冰平臺結構初步設計達到了性能設計要求，從而也驗證了抗冰平臺結構性能設計理論及動力設計流程的正確性和可行性。
　　最后，混凝土平臺與鋼質(zhì)平臺進行經(jīng)濟性比較分析表明，混凝土平臺結構在建造成本、安裝就位及維護

7、費用等方面比鋼質(zhì)平臺更具經(jīng)濟性。本文分析了適用于寒區(qū)淺海邊際油氣田開發(fā)的抗冰平臺結構應具有簡易經(jīng)濟性、可移動性以及抗冰振等性能，并提出了滿足這些性能要求的單立柱桶型基礎混凝土平臺型式。以JZ9-3WHPB單立柱桶型基礎鋼質(zhì)平臺結構為例，進行了將其鋼質(zhì)中央立柱設計為混凝土中央立柱的初步設計分析。計算分析表明，在同等冰況下，該單立柱桶型基礎混凝土平臺與JZ9-3WHPB單立柱桶型基礎鋼質(zhì)平臺相比，具有更好的抗冰振性能。同時，為寒區(qū)邊際油氣田