基于現(xiàn)場監(jiān)測的軟剛臂失效分析與風(fēng)險預(yù)警.pdf

1、作為邊際油田開發(fā)系統(tǒng)中的重要裝備，采用軟剛臂固定FPSO(Floating ProcessStorage Offloading，浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置)，被廣泛應(yīng)用于我國的渤海海域。軟剛臂力學(xué)原理簡單，但軟剛臂存在的問題也十分突出:1.結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。軟剛臂作為多剛體結(jié)構(gòu)，在實際運行中鉸點承受很大的應(yīng)力，增加了結(jié)構(gòu)的風(fēng)險性;2.結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象。由于解除了多個方向的約束，使壓載艙和系泊腿之間形成了一個擺，當(dāng)浮體運動周期與擺的周期比較接近時，就

2、會產(chǎn)生共振現(xiàn)象;3.淺水效應(yīng)問題。由于渤海水深較淺，存在淺水效應(yīng)的問題，導(dǎo)致系泊分析的不確定性;4.環(huán)境的復(fù)雜性。渤海海域冬季有較長的冰期，在季風(fēng)氣候下，環(huán)境的突發(fā)性也比較顯著。以上這些問題都成為軟剛臂的設(shè)計與運行中安全管理的難點。
　　傳統(tǒng)的軟剛臂設(shè)計方法沒有明確動力問題的處理方式:廣泛采用的理論分析、數(shù)值模擬和水池實驗，風(fēng)浪流荷載僅在幾個方向作用在結(jié)構(gòu)上，忽略了海洋環(huán)境在空間狀態(tài)下復(fù)雜的動力特性。同時，傳統(tǒng)的設(shè)計方法不僅存在縮

3、比的問題，且不能實現(xiàn)FPSO與軟剛臂之間的共振和由風(fēng)標(biāo)效應(yīng)引起的FPSO甩尾現(xiàn)象。
　　本文基于傳統(tǒng)設(shè)計方法中存在的不足，依托“十一五”和“十二五”國家科技重大專項子課題“深水浮式平臺監(jiān)測技術(shù)研究”，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2011CB013705)，開展面向設(shè)計評價的渤海軟剛臂現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)。并基于現(xiàn)場監(jiān)測，對軟剛臂在實際中主要存在的三種失效模式，以及軟剛臂風(fēng)險預(yù)警等問題，展開了一系列的分析和評價，為渤海軟剛臂設(shè)計

4、提供了相關(guān)的理論、方法與技術(shù)支持。本文主要的工作概括如下:
　　(1)淺水軟剛臂監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與驗證
　　根據(jù)淺水軟剛臂單點系泊形式的特點，設(shè)計了監(jiān)測方案，包括:環(huán)境荷載監(jiān)測系統(tǒng)、浮體運動監(jiān)測系統(tǒng)、軟剛臂姿態(tài)受力監(jiān)測系統(tǒng)和軟剛臂鉸點監(jiān)測系統(tǒng)四個部分。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了C++集成分析系統(tǒng)，獲得了長期連續(xù)的數(shù)據(jù)，并對VPN(Virtual PrivateNetwork，虛擬專用網(wǎng)絡(luò))與數(shù)據(jù)庫技術(shù)在該原型測量的應(yīng)用做了概括性的介紹。通

5、過對原型測量中幾組冗余量的對比，驗證了原型測量系統(tǒng)的正確性。基于軟剛臂的原型測量系統(tǒng)，評價了軟剛臂系泊船體的水動力設(shè)計參數(shù)。
　　(2)軟剛臂極端抗力失效的方法分析
　　為了減小極端抗力帶來的損失，發(fā)展了基于多剛體動力學(xué)的軟剛臂系泊力計算分析方法，建立了求解軟剛臂單點系泊系統(tǒng)在風(fēng)、浪、流作用下的水平系泊力動力方程。通過現(xiàn)場實測姿態(tài)信息與FBG（Fibre Bragg Grating，光纖光柵）應(yīng)變傳感器對比，以及與靜力法對比

6、，驗證了動力方程的正確性，實現(xiàn)了系泊力的冗余測量。
　　(3)共振引起的軟剛臂疲勞失效分析
　　在實測中發(fā)現(xiàn)船體橫搖能夠?qū)泟偙蹤M擺進行強迫振動，尤其是在特定的吃水、裝載配比及來浪方向下，船體的橫搖與軟剛臂橫擺固有頻率一致，共振現(xiàn)象明顯。通過雨流法對軟剛臂橫擺現(xiàn)象的長期統(tǒng)計分析，對設(shè)計進行了評價。為了降低共振所帶來的風(fēng)險，通過對軟剛臂TLD（Tune Liquid Damper，調(diào)諧液體阻尼器）模型減振實驗的研究，提出了共振

7、減振策略。
　　(4)軟剛臂運動域失效問題分析
　　基于原型測量，研究了以下兩方面的內(nèi)容:1）FPSO尾甩現(xiàn)象的研究。討論了該海域海流的特點，并對一年尾甩次數(shù)進行了統(tǒng)計分析。針對尾甩對系泊系統(tǒng)的失效模式及內(nèi)部力學(xué)性能影響，建立了軟剛臂有限元數(shù)值模型，進行了初步的討論;2）系泊腿上鉸點的分析評價。針對友誼號FPSO，通過處理該鉸節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了上鉸點的損傷程度。
　　(5)風(fēng)險預(yù)警管理方法的建立
　　基于軟剛