海洋油气钻采中海洋平台环境载荷分析.pdf

机械研究与应用 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 研究与分析 海洋油气钻采中海洋平台环境载荷分析 刘国昊 ， 何 莎， 王文韬 川庆钻探 工程有 限公 司 安全环保质量监督检 测研 究院， 四川 广汉6 1 8 3 0 0 摘要 随着油气需求量的不断增加， 海洋油气勘探开发的力度逐步增大， 对海洋平 台的使用越来越多。海洋平台作 为服役于恶劣境且承受风、 波浪、 海流和地震等多种载荷作用的结构体， 其安全性对油气开采有重要影响。通 过分析风载荷、 波浪载荷、 海流载荷和地震载荷对平台的作用形式， 得到平台在不同服役环境下这些载荷作 用于平台的动态响应， 对海洋平台的结构设计、 强度分析及其安全评估具有重要意义。 关键 词 油气； 平 台； 载荷 ； 波浪 ； 海流 中图分类号 T H1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 6 0 0 1 7 0 3 En v i r o n m e n t a l l o ad i ng a na l ys i s o f t he o c e a n p l a t f o r m f o r t he o ffs ho r e o i l a n d g a s e x pl o r at i o n L i u Gu o h a o，He S h a，W a n g W e n t a o R e s e a r c h i n s t i t u t e o f s a f e t y a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n q u a l i t y s u p e r v i s i o n ， C h u a n q i n g d r i l l i n g e n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ， G u a n g h a n S i c h u a n 6 1 8 3 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p i n g o f t h e o i l a n d g a s i n d u s t r y ，g r e a t e r e f f o r t s h a v e b e e n ma d e i n o i l e x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t ， a n d m o r e a n d m o r e o c e a n p l a t f o r ms a r e u s e d ．A s a s t r u c t u r a l b o d y t h a t a r e s u b j e c t e d t o k i n d s o f l o a d ， s u c h a s w i n d ， w a v e ， 0 ． c e a n c u r r e n t a n d e a rt h q u a k e ，s a f e t y o f t h e p l a t f o rm i s i mp o rt a n t t o t h e d r i l l i n g ．Dy n a mi c r e s p o n s e s o f t h e p l a t f o rm t h a t a r e s u b j e c t e d t o k i n d s o f l o a d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s a r e o b t a i n e d b y a n a l y z i n g e f f e c t s o f t h e s e l o a d s ， w h i c h i s o f gr e a t i mp o r t a n c e t o t h e s t ruc t u r a l d e s i g n i n g ，s t r e n g t h a n aly s i s a n d s afe t y a s s e s s me n t o f t h e o c e a n p l a t f o r m． Ke y wo r d s o i l a n d g a s ；p l a t f o rm ；l o a d；w a v e；o c e a n c u r r e n t 1 引 言 海洋油气勘探开发是陆地石油勘探开发的延续 ， 最早 的海洋石油勘探始于 1 8 8 7年 J 。随后对海洋资 源的研究表明 ， 全球海洋油气资源丰富 ， 其含量 占全 球油气资源总量 的 3 4 ％ ， 目前对海 洋油气的开发 尚 处于早期阶段 J 。海洋平 台是海洋油气勘探开采 中 必不可少的装备 ， 随着我国石油工业 的发展 ， 海洋油 气勘探开采力度逐步加大 ， 并逐步 由浅海与滩海转入 深海 ， 需投入使用 的海洋平 台越来越多 J 。海洋平 台服役于恶劣环境中， 鉴于油气勘探 的安全运营和装 备的维护决策 ， 有必要对海洋平 台进行承载分析。 海洋平台作业于恶劣环境中， 很多因素都会对其 造成影响 ， 且不同地域不同条件下的平台影响存在差 异。海洋平台在使用期 间承受的环境载荷主要由风、 波浪 、 海流 、 地震等 自然环境引起 ， 这些载荷对平台的 强度与安全具有重要影响， 在平台的结构设计 、 强度 分析以及安全评估时全 面考虑这些载荷的作用具有 重要意义 J 。笔者主要运 用风载荷 、 波浪载荷 、 海流 载荷 、 地震载荷的计算方法 ， 分析这些因素对海洋平 台的影响。 2 风载荷 作用在海洋平台的风速是时刻变化 的， 可分为持 续风速和阵风风速， 但在海洋工程领域， 一般将作用 于海洋平台的风速按持续风速处理 。同时 ， 离海平面 不同垂直高度处的风速大小也不一样， 海洋工程中把 静水面上方 1 0 m处 的风速作为基准 ， 并将该基 准风 速作为设计风速。风速的垂直分布规律为[ 7 - 8 1 式 中 M 是距离为 处 的风速 ； 。 为设计风速 ； H为 距离水面的垂直高度 ； p为指数 ， 可取 1 ／ 1 1 。 海洋平 台所受的水平风力为 F P0 Ch C A 式 中 P 0 为基本风压 ， c 为平台的高度系数 ， C 台的形状系数 ， A为平台所受风力的垂直面积 。 2 为平 基本风压可按式 3 计算 1 P 0 口 3 式中 g为重力加速度 ， 取其值为 9 ． 8 m ／ s ； 为空气 比重 ， 取值为 1 2 N ／ m ； 为设计风速 。 将式 3 代入式 2 可得到海洋平台所受水平风 力为 F0 ． 6 1 3 o C h C 』 4 4 对固定的海洋平台， 计算其风载荷时 C 与 G 可 收 稿 日期 2 0 1 2 一l 】 - 0 8 作者简介 刘国昊 1 9 8 2 一 ， 男， 四川遂宁人， 硕士， 主要从事特种设备检验检测工作。 1 7 研究与分析 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 机械 研究 与应用 通过查表获得。 3 波浪载荷 波浪载荷主要是指外力作用下表层海水产生起 伏的现象 ， 外力包括风力、 日月引力 、 地震引起的海啸 等。 目前主要通过随机线性模式对海浪进行研究 ， 将 海浪视为由无限个振幅 、 频率 、 相位等参数均时刻变 化的简谐波叠加形成 的不规则 波系。对波浪的研究 可通过基于数理统计和随机过程理论 的谱分析方法 进行 ， 此处采用频域分析方法 。对于不规则波 内的单 元波 ， 其能量分析情 况可通过谱 密度 函数表示_ 9 。 海面固定点的波面波动 t 可表示为 ∑n c 0 s t 5 i 1 对于单位叠加波于单位面积的铅直水柱 ， 其平均 能量为 E 1 ] 口 g 口 6 由上式可得 ， 波浪频率 区间为[ 6 0 i ， i △ ∞] 的波 浪能量为 △ A E ∑ g 。 7 o J i 波面升高谱密度函数可表示为 Sf p 1 l i m △ A -- E -E 8 式中 为波面升高， 。 为幅值 ， ∞ 为浪 的圆频 率 ， 为波浪初相位 ， P为密度。 假设系统为时间恒定的线性 系统且波浪为平稳 正态随机情形 ， 则波浪运动所引起的平 台响应也是平 稳正态随机过程， 其幅值遵从瑞利分布。得到平台的 运动和载荷响应谱 为 S R S 1 日 ， 卢I 9 式中 s ∞ 为响应谱密度函数； H ∞， 为传递函 数； l H ，卢 I 为响应幅值； S 为波浪谱密度函 数。 4 海流载荷 海流与风和海浪等同时直接作用于平台上 ， 对平 台稳定性和强度将产生影响， 设计时必须考虑其对海 洋平台的作用。在分析海流对平台的影响时， 设计流 速按规范规定而定， 取设计流速为平台作业海域范围 内可能出现的最大流速值 ， 即最大可能是的潮流流速 与余流流速之和， 必要时还应考虑流速的垂直分布。 海流流速随水深的变化如下所示 d 1 0 式 中 为海底 以上高度为 z 1T I 处 的流速 ； 为海 面流速 ； d为水深。 由于海流不像波浪那样在较短的时间范围内不 1 R 断重复其周期性变化， 相比之下海流的流速较小。工 程设计 中， 常将海流看作是稳定 的流动并认为它们对 平台的作用力仅为拖拽力。在设计时应考虑流速与 波浪水质点速度叠加后产生的拖拽力 ， 作用于水下 z 处的单位长度拖拽力为 1 c D D V w V s 1 1 二 式中 c 为拖拽力系数 可通过查表获得 ； D为平台 桩腿圆柱直径 ； p为海水密度； 为波浪水质点 的平 均流速 ； V s 为海流流速。 海浪与海流水平速度作用下桩腿柱上的水平拖 拽力为 1 ， D J c D D V w d Z 1 2 d 0 式中 d为水深 ； a 为波面高度 ； Z为距离海底的高度。 5 地震载荷 我国西部及东南沿海 、 台湾东部和渤海均属于地 震带 ， 在研究作业区域内的海洋平台均应考虑地震载 荷的影响。地震载荷不同于风、 海浪和海流等， 它不 直接作用于结构物上， 而是使结构物随基础运动而形 成载荷。 平台地震载荷主要为惯性力和动水压力 ， 地震惯 性力可根据平台质量分布进行计算 ， 在计算时可将平 台简化成单质点系统或多质点 系统。按单质点 系统 计算 的地震惯性力 J P HC K H m g 1 3 式中 c为综合影响系数 ， 取值为 0 ． 3 5～0 ． 5 ； K 为 水平方 向地震系数 ， 与地震烈度有关 ， 可查表获得 ； 为相应为平台计算方向 自振周期为 时的动力放 大 系数， 可由地震响应谱曲线查获或根据 算出； m为 平台质量以及 甲板下部结构质量和其他质量对于平 台甲板处的折算质量； g为重力加速度。 其 中， 地震 响应谱是结构以实际过程 中的响应为 基础进行结构响应分析 而得到 的， 任何复杂结构对 于地震 响应都可 以由若 干个单 质点体 系的响应 的 叠加得到 。 中国船 级社 海 上 固定 平 台人 级 和建 造规范 和美 国石油工业协会 A P I 均给出了相 应 的地震 响应 曲线 。动力放 大 系数 ／ 3表示 单 质点 弹性系统在地震作用下的最大加速度响应与地面 静载加速度的比值。对于不 同类型的土层， 当已 知结构 自振周期 时， 动力放大系数可从地震响 应谱 曲线查得 。 平台为复杂的空间结构， 当平台按多质点体系处 理时， 平 台质点 i 的地震惯性力为 P C K H r I 咖 m g 1 4 式中 为质点 i 在第 振型时的相对水平位移； r 机械研究与应用 2 0 1 2 年 第6 期 总 第1 2 2 期 研究与分析 为结构的 振型参与系数； 为第 振型动力放大系 数； m 为堆积在质点 i 的质量。其中 ∑咖 m ／ ∑ m 1 5 式 1 5 中 凡为质点数。 地震时平台桩腿水下部分所受动水压力为 PC K H 卢 C V r s i n i ，‘ J． 1 6 式中 c 为附加水质量系数； V 为浸水部分构件的体 积； r 为海水 比重； i ， 为地震方 向与构件间的 夹角。 6 结语 对海洋平台环境载荷进行研究 ， 包括风载荷 、 波 浪载荷 、 海流载荷及地震载荷。基于海洋平台的设计 风速及风速垂直分布规律 ， 得到考虑平台高度和形状 的水平风力。视波浪为随机线性模式 的由不 同类 型 简谐波叠加形成的不规则波系， 通过基 于频域的 波谱分析方法， 得到海面固定位置的波面波动， 通 过单位波作用于平 台能量 的累积分 析波 浪对载 荷 对 平 台的作 用。海 流流 速 随水 深 变化 而 变化 ， 海 流为流速较小的稳定流动， 其对平 台仅有拖拽力， 通 过将海流质点对平 台作用 力进行 积分得 到海 流 载荷对 平 台 的影 响。地震 载荷 使 平 台 随地 基 运 动 ， 其动力放 大 系数 因海 底土 层 等 因素 变化 而 不 同。地震对平 台的作 用可通 过分析 平 台为单质 点 或多质点 的不 同情形 得到。 上接第 1 6页 部分点都在曲线下方， 只有极小一部分点在曲线上 方 ， 说 明板料处于安全变形区内， 破裂风险极小。 4 ． 2 汽车顶盖外板仿真参数优化 由图 5可以看 出汽车顶 盖外板拐角处出现微小 破裂 ， 说明此处进料不足 ， 进料阻力过大 ， 可通过减小 拉延筋参数 ， 增大圆角解决此处问题 ， 最终可获得拉 伸件模型 。现场冲压零件如图 8所示。 5 图8 现场冲压零件 结 语 采用 A u t o t b r m软件对某一汽车顶盖外板进行数 参考文献 [ 1 ] 乔卫杰 ，黄文辉 ，江怀友．国外海洋油气勘探方法浅述 [ J ] ．资 源与产业 ， 2 0 0 9，1 l 1 l 9 2 3 ． [ 2 ] 周守为．中国海洋石油开发战略与管理研究[ D ] ． 成都 西南石 油大学 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 洪菲， 胡天跃． 深海油气地震勘探进展和展望[ J ] 地球物理 学进展 ， 2 0 0 2，1 7 2 2 3 0 2 3 6 ． [ 4 ] 孙清， 连琏．中国深水海域油气及相关资源勘探开发进展 及关键技术[ J ] ．中国海洋大学学报， 2 0 0 5 ， 3 5 6 1 0 4 9 1 05 2． [ 5 ] 王定亚 ， 丁莉萍．海洋钻井平台技术现状 与发展趋势 [ J ] ．石油 机械 ， 2 0 1 0， 3 8 4 6 9 7 2 ． [ 6 ] 颜庆智， 杨凤军．渤海湾海洋平台在环境载荷作用下可靠性分 析 [ J ] ．科学技术与工程 ， 2 0 1 1 ， 1 1 2 4 5 7 8 2 5 7 8 7 ． [ 7 ] 蒋德才， 刘百桥， 韩树宗． 工程环境海洋学[ M] 北京 海洋出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 8 ] 胡思远， 曹国华， 马依萍， 等．复杂环境下登船液压电梯导轨 受力特性分析[ J ] ． 机械研究与应用， 2 0 1 2 1 1 4 1 7 ． [ 9 ] 王言英， 阎德刚．自 升式海洋平台波浪载荷谱计算[ J ] ．中国海 洋平台 ，1 9 9 5，1 0 2 5 0 5 3 ． [ 1 O ] 王言英．深水 浮式海洋平 台水动力性能计 算研究 [ J ] ．大连理 工大学学报 ， 2 0 1 1 ， 5 1 6 8 3 7 8 4 5 ． [ 1 1 ] 王虎 ， 张士华 ，王德禹．正压冲固平台波浪和海 流作用下动 力响应分 析[ J ] ．振动与冲击 ， 2 0 0 6， 2 5 2 7 9 8 2 ． [ 1 2 ] 亓和平．浅海桩腿 自升式钻井平台地震响应分析 [ J ] ．中 国海 洋平台 ， 2 0 0 3，1 8 4 2 2 2 5 ． [ 1 3 ] 赵建宏， 郑苏．变阻尼半主动振动控制的研究现状[ J ] ．机 械研究与应 用 ， 2 0 1 2 2 8 一 I 1 ． [ 1 4 ] 何晓字， 李宏男． 地震与波浪联合作用下海洋平台动力特性 分析 [ J ] ．海洋工程 ， 2 0 0 7 ， 2 5 3 1 8 2 5 ． 值模拟 ， 并根据模拟结果预测板料在实际成形过程 中 可能出现的起皱 、 破 裂等问题分析其原 因， 通过优化 计算可得到满意的参数 ， 为前期模具设计提供依据 ， 可提高设计效率 ， 及 时修改工艺方案， 大幅缩短模具 设计周期 。 参考文献 崔令江． 汽车覆盖件冲压成形技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 李 志刚 ． 中国模具设计 大典 [ M] ． 南 昌 江 西科学 技术 出版社 ， 2 0 0 3 ． 刘细芬， 黄华艳， 张洪锐． 基于 C A E技术的汽车覆盖件拉延模具 设计 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 1 0 4 2 4 2 2 4 4 ． 孙小 刚 ， 丁国富 ， 李 晓丽 ， 等． 基于逆 向工程 的汽车 覆盖件 拉延 模具数字化设计与制造[ J ] ． 机械， 2 0 0 8 2 3 7 4 0 ． 雷正保 ． 汽车覆盖件 冲压成形 C A E技术[ M] ． 长沙 国防科 技大 学出版 社， 2 0 0 3 ． 林忠钦． 车身覆盖件冲压 成形仿 真f M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 o 0 5． 1 9 j 1 j