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涠11-4平台结构强度全尺度原位监测研究(1)
    时间:2010-5-27     点击率:27784

图1. 涠11-4海洋平台实景照片

编者按语:力学所柳春图、申仲翰等人完成的《涠11-4平台结构强度全尺度原位监测研究》项目获得1998年中国科学院科技进步二等奖和1999年国家科技进步三等奖。他们建立了一套先进的综合技术系统,通过长达6年的工作,研究了平台结构动态响应和海洋环境条件的对应关系,进行了结构疲劳强度与寿命的估算,为提高近海采油平台的设计水平和制定平台的安全规范提供了重要依据。

                采油海洋平台和它生存的海洋环境
  人类生活离不开能源,石油和天然气是一类重要的资源。随着需要的不断增长,我们不仅在陆地上大量开采油气,而且还逐步拓展到海洋中。在陆地开采油气时,只要钻个油(气)井就可以啦。各种设备、物质和人员可以安置在油(气)井附近的地域内。可是,在大海里采油(气),就不那么简单了:怎样钻井?怎样采油(气)?怎样管理?
  现在解决的办法就是在油气藏地建造海洋平台。图1是屹立在我国南海西部涠洲海域的涠11-4平台的实景照片,那里的水深有40.8米。这是一座具有八条桩腿、八条裙桩的导管架平台,由导管架、三层甲板和生活区三部分构成。你看,它就像一个飘零在大海中的孤立小岛,自成一个独立的小小天地,有生产区和生活区,一般是通过船只和直升飞机与陆地交流物质和人员。
  海洋平台生存在海洋环境之中,为了能够在大海中长时间生产运行(往往长达数十年),平台的桩腿要深深地打入海底基础中,平台的结构要有足够的强度,能够禁得起风暴、波浪、潮流等环境载荷的作用。如何设计好平台?如何确保它安全运行?按照力学工作者的术语,这是一个十分复杂困难的流固土耦合问题(参见图2)。不难理解,这里的“流”是指海洋环境,这里的“固”是指平台结构,这里的“土”是指海底土壤,它们是互相作用、彼此影响的。目前,人们还没有找到一套可靠的数学力学模型来预测平台在实际工况下的力学行为,或者说人们还不能通过分析计算方法给出平台结构的受力状态、静动力响应及其变化规律。而力学所从事的平台结构强度的全尺度原位监测便为这一技术难题的解决提供了一条途径。
  什么叫“全尺度原位监测”?那就是我们不是采用小比例的模型做实验,而是直接到海洋中正在实际运行生产的现役平台上去做监测,去测海洋环境之中的风浪流数据,去测平台实在关键部位的应力(应变)和节点加速度。力学所的研究人员不仅在常规海况下监测了两年之久,做到了与平台本身的设计、建造、安装和运行同步进行。他们还对1996年10月发生的百年一遇的特大风暴环境条件下的生活模块动态响应进行了监测,这是在无人值守情况下(人员全部撤离)利用自动采集系统完成的。
  首先,来谈谈平台生存的海洋环境。如前所述,这里有风浪流,他们构成了海洋平台承受到的主要荷载。在涠洲海域,有关部门提供的环境参数是这样的:(1)风速:一年一遇为18米/秒或21米/秒(阵风), 百年一遇为59米/秒或68米/秒(阵风);(2)波高:一年一遇为7.6米/,百年一遇为15.5米;(3)流速:一年一遇为0.77~1.33米/秒,百年一遇为1.07~1.83米/秒。我们的任务则是要确定什么样的环境条件对应着什么样的平台结构响应。
  风浪流环境监测系统分为近场和远场两个部分。近场测试点设在平台上,内容包括所在位置处的风向风力、波浪的传播方向、波高、周期和频谱,以及海流的平均流速和流向。远场测试点设在约为平台尺度2~3倍之外的海面上,通过浮标进行数据采集工作,内容是波浪的传播方向、波高、周期和频谱,以及海流的平均流速和流向等波、流参数。通过对监测数据的研究分析,力学所研究人员取得了一系列的成果:波浪力是作用在平台结构上的最大交变载荷,应力交变周期与波浪周期相等,波浪载荷作用下平台结构应力的动态放大因素很小(这是因为波浪周期远远大于现役平台基本固有周期的缘故),东北季风是造成平台结构疲劳损伤增长的重要因素,非常环境状态下(如特大风暴)的动态响应与常规条件相比在规律性上基本相符,等等。这些成果为海洋平台的设计者和管理者带来了新的示意和考虑,为制定我国自己的海洋平台设计标准和规范提供了必要的科学依据。
                                      王柏懿撰文


图2. 海洋平台流固土耦合作用示意图