SPAR平台系泊缆疲劳寿命评估方法研究

论文摘要

深海石油开发的关键装备之一是SPAR平台,而系泊系统的缆索是平台的重要部件。本文研究深海SPAR平台系泊缆绳的疲劳寿命评估方法,首次将随机动力响应谱分析的理论应用其中,对深海SPAR平台的系缆的疲劳寿命评估方法进行了探索性的研究,这些工作可为深海系缆设计提供参考依据,同时对确保平台安全和促进我国深海平台理论和技术的进步,具有较重要的意义。本文综述了疲劳分析的相关理论,以及海洋工程结构的疲劳寿命评估方法,分析说明了国内外海洋平台结构疲劳寿命评估研究现状以及深海系缆的研究现状。鉴于目前我国南海海域（S7）油气资源开发的特点,采用挪威船级社（DNV）SESAM软件,建立了传统单柱式SPAR平台的简化的有限元结构模型,水动力模型,面板模型,利用三维绕射理论计算了平台主体波浪力,对平台总体运动性能进行了分析,在此基础上,对其系缆进行极限动力响应研究,在频域内得出了SPAR平台系缆张力和应力的传递函数曲线,同时对系缆进行了短期和长期预报,得到极限工况下的系索张力。在此系缆频域响应谱分析的基础上,分别用S-N曲线方法和断裂力学方法对结构系统进行疲劳寿命的评估和可靠性分析,假设波浪载荷的长期分布是由k个短期海况组成,且每一海况中的应力范围的短期分布服从Rayleigh分布。利用系缆的应力传递函数得到每个短期海况的应力谱。然后,采用Miner线性累积损伤模型,对系缆结构进行了疲劳可靠性分析,并进行了雨流修正。同时于各大船级社规范里疲劳寿命评估的方法相对比。建立了疲劳裂纹扩展随机变量模型,利用Paris公式对系缆结构进行疲劳可靠性研究。编制了疲劳分析的相关程序,以南海（S7）海域的海况下平台的系泊缆为例,计算得到了平台系缆完整结构出现破坏的疲劳寿命,以及得到初始裂纹发展到系缆结构损坏时的疲劳寿命,综合评估了系缆的疲劳寿命。本文研究表明,将随机动力响应谱理论应用于SPAR平台系缆结构的疲劳寿命可靠性分析评估当中是可行的。综合时域和频域法的优势,考虑系缆的非线性因素,能够更有效率、准确地得到系缆结构的疲劳寿命。在后续评估工作研究中,应该考虑腐蚀等其他载荷因素对系缆疲劳寿命的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义和背景
• 1.2 Spar平台的系泊缆特性
• 1.3 海洋平台可靠性和疲劳寿命研究现状
• 1.4 深海系缆问题研究现状
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第二章 海洋工程结构疲劳评估的基本理论与方法
• 2.1 海洋工程结构疲劳分析相关理论
• 2.1.1 S-N曲线
• 2.1.2 疲劳累积损伤理论
• 2.1.3 疲劳应力范围的分布模型
• 2.2 海洋工程结构疲劳寿命评估方法
• 2.2.1 疲劳分析的时域方法
• 2.2.2 疲劳分析的频域方法
• 2.3 小结
• 第三章 SPAR平台系泊缆动力响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 Spar平台主体及其系泊系统的简化模型
• 3.3 环境载荷
• 3.4 系缆静力分析
• 3.5 SPAR平台整体动力响应分析
• 3.5.1 有限元模型的建立
• 3.5.2 SPAR平台系缆张力的传递函数
• 3.5.3 SPAR平台系缆张力的短期预报和长期预报
• 第四章 SPAR平台系缆的疲劳寿命评估和疲劳可靠性分析
• 4.1 系缆疲劳载荷谱的统计特性
• 4.2 系缆的疲劳寿命评估
• 4.2.1 基于S-N曲线的疲劳寿命校核计算
• 4.2.2 基于断裂力学的疲劳寿命计算
• 4.3 SPAR系缆的疲劳可靠性预测
• 4.3.1 基于S-N曲线的疲劳寿命可靠性预测
• 4.3.2 基于断裂力学的的疲劳寿命可靠性预测
• 第五章 实例计算
• 5.1 波浪谱
• 5.2 系缆结构的应力谱
• 5.3 S-N曲线方法
• 5.4 等效Weibull分布模型
• 5.5 断裂力学的裂纹扩展方法
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望和未来方向
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢