0404082趙靜巨型海洋平臺的設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1 前言隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,特別是作為支柱產(chǎn)業(yè)的石油化工和汽車工業(yè)的快速發(fā)展 ,石油和天然氣供應(yīng)不足的矛盾日益突出。石油天然氣資源是發(fā)展石油工業(yè)的前提條件和基礎(chǔ) ,探明儲量是制定石油工業(yè)長期發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目的依據(jù) ,剩余可采儲量的多少決定了石油工業(yè)發(fā)展?jié)摿λ?。目前我國陸上石油后備資源嚴(yán)重不足 ,原油產(chǎn)量增長緩慢。由于長期的強(qiáng)化開采 ,大多數(shù)主力油田在基本穩(wěn)定基礎(chǔ)上陸續(xù)進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段 ,開采條件惡化 ,開發(fā)難度增大。鑒于陸上資源的日漸枯竭 ,資源開發(fā)向海洋、尤其是深海進(jìn)軍已成必然趨勢。因此，如何控制海上石油平臺的震動，保護(hù)平臺的安全可靠成為一個亟待解決的問題。1.1海洋平

2、臺簡介在陸地上鉆井時，鉆機(jī)等都安裝在地面上的底座上；在海上鉆井時，不可能將鉆井設(shè)備安放在海里，因此就需要一個安放鉆井設(shè)備等的場所，這個場所就是海洋鉆井平臺。海上鉆井平臺分類2如下：按運(yùn)移性分為：固定式鉆井平臺，移動式鉆井平臺。移動式鉆井平臺又分為坐底式鉆井平臺、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺、浮式鉆井平臺。按鉆井方式分為：浮動式鉆井平臺和穩(wěn)定式鉆井平臺。浮動式鉆井平臺分又為，半潛式鉆井平臺、浮式鉆井船和張力腿式平臺；穩(wěn)定式鉆井平臺又分為，固定式鉆井平臺、自升式鉆井平臺和坐底式鉆井平臺。 固定式海洋平臺是從海底架起的一個高出水面的構(gòu)筑物，上面鋪設(shè)甲板作為平臺，用以放置鉆井機(jī)械設(shè)備，提供鉆井作業(yè)場

3、所及工作人員生活場所。海洋平臺的安裝包括：導(dǎo)管架的安裝和工作平臺的安裝。其中導(dǎo)管架的安裝方法有：提升法、滑入法和浮運(yùn)法。工作平臺的安裝方法有：吊裝和浮裝。海洋平臺的組成部分有：導(dǎo)管架和樁基、棧橋、上部模塊、生活樓直升機(jī)甲板和火炬臂。圖1.1 海洋平臺1.2 固定式海洋平臺的特點(diǎn)固定平臺包括導(dǎo)管架式平臺、混凝土重力式平臺、深水順應(yīng)塔式平臺等。鋼質(zhì)導(dǎo)管架式平臺使用水深一般小于300米，通過打樁的方法固定于海底，它是目前海上油田使用廣泛的一種平臺。自1947年第一次被用在墨西哥灣6米水域以來，發(fā)展十分迅速，到1978年，其工作水深達(dá)到312米，目前世界上大于300米水深的導(dǎo)管架平臺有7座。通常評價海

4、洋鉆井平臺的優(yōu)劣指標(biāo)有4個：穩(wěn)定性、運(yùn)移性、適用水深及經(jīng)濟(jì)性。固定式海洋平臺的特點(diǎn)是：穩(wěn)定性好、運(yùn)移性差、適用水深淺、經(jīng)濟(jì)性一般。到2007年為止，在我國渤海區(qū)域先后建成了幾十座固定式海洋平臺，現(xiàn)已經(jīng)拆除3座，報(bào)廢2座，其余的都改裝成采油平臺。例如，渤海北油田的a,b平臺，每座設(shè)計(jì)鉆井32口，現(xiàn)在已改裝成采油平臺2。勝利油田埕島海上油田開發(fā)采用的主要是固定式平臺。固定式海洋平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：平臺有三部分組成即，上部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架和樁組成，如下圖1.2所示：圖1.2 導(dǎo)管架海洋平臺的主要結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)平臺甲板、甲板立柱以及桁架結(jié)構(gòu)，對鉆井平臺，甲板以兩層居多，對于采油平臺有時可以采用單層甲板的形式。甲

5、板結(jié)構(gòu)組要作用是為各種設(shè)備設(shè)施提供足夠空間。導(dǎo)管架是導(dǎo)管立柱和導(dǎo)管梁組成的空間框架結(jié)構(gòu)。各管連接點(diǎn)是管節(jié)點(diǎn)，關(guān)節(jié)點(diǎn)上受到的載荷很復(fù)雜，不僅受到軸向力還要傳遞彎矩。各管狀構(gòu)相交處形成了管狀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，由于管節(jié)點(diǎn)的幾何形狀復(fù)雜并受焊接影響，故其應(yīng)力集中系數(shù)很高，容易發(fā)生疲勞破壞，因此它是導(dǎo)管架平臺的重要結(jié)構(gòu)部位，在設(shè)計(jì)中需要特別注意。樁的作用是把海洋平臺固定于海底。樁通過導(dǎo)管架打入海底土中并通過導(dǎo)管固定和支撐上部平臺。1.3發(fā)展海洋平臺的重要性隨著海洋開采范圍的日益擴(kuò)大, 深海石油開發(fā)已成為石油工業(yè)的重要前沿陣地。海洋平臺是海上石油勘探開發(fā)的載體，固定式海洋平臺是常用的一種海上石油勘探開發(fā)的承載體。

6、海洋油田的開發(fā)建設(shè)與陸地油田截然不同 ,其最大的區(qū)別在于環(huán)境條件不同,海洋油田的開發(fā)建設(shè)必須與海洋環(huán)境條件相適應(yīng) ,即要充分考慮風(fēng) 、浪、 流 、冰等海況條件的影響。無論是淺海油田還是深海油田,其開發(fā)都是一個龐大的系統(tǒng)工程, 主要包括油藏、鉆井、 測井以及海工工程和采油工程,海洋平臺體積的不斷增大引起載荷增大、費(fèi)用增加、樁腿受力不均以及在惡劣環(huán)境下的劇烈震動等問題限制了海洋平臺向深水發(fā)展。海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是海上平臺設(shè)計(jì)的一個非常重要的組成部分。特別是對于海上平臺的安全性和可靠性至關(guān)重要。海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)及甲板結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)等各個方面的內(nèi)容。例如確定結(jié)構(gòu)布置原則, 正確地選用材

7、料和計(jì)算荷載方法, 選取適用的荷載系數(shù), 確定荷載組合方式, 進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算, 編制材料表以及有關(guān)設(shè)計(jì)文件等。 目前，世界上已探明的海上油氣資源大部分蘊(yùn)藏在大陸架及3000米以下的海底。有數(shù)據(jù)顯示，深海能源儲量將是陸地能源儲量的100倍，但由于開采技術(shù)上的限制，其還是能源領(lǐng)域最具潛力的。我國擁有廣闊的大陸架，有較為豐富的油氣資源，加強(qiáng)對海上油田的開采能大大緩解我國能源的壓力。海洋平臺是海洋石油天然氣開采的承載體，海洋平臺技術(shù)成為制約海洋資源開采的瓶頸，海洋平臺需要更好的完善和發(fā)展。2 海洋平臺導(dǎo)管架設(shè)計(jì)海洋平臺作為海上油氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵性設(shè)施，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。

8、面對各種載荷導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)必須具備足夠的承載能力，不僅要抵御各種自然環(huán)境載荷，還要各種使用載荷和施工載荷。要充分了解海洋平臺工作時各種載荷的類型和性質(zhì)，對平臺進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)和校核。2.1 固定式海洋平臺承受的載荷海洋平臺在建造在和使用期間所承受的載荷主要有環(huán)境載荷、使用載荷和施工載荷三類。（1）環(huán)境載荷環(huán)境載荷是指由風(fēng)、波浪、海流、潮汐、地震、雨雪等自然環(huán)境引起的載荷。對于海洋平臺的設(shè)計(jì)來說，主要載荷有風(fēng)載荷、波浪載荷、冰載荷、地震載荷等。載荷的強(qiáng)弱按照海洋平臺所處的環(huán)境而定，其中在確定風(fēng)載荷和波浪載荷是應(yīng)該按照不低于五十年一遇1。（2）使用載荷使用載荷是指平臺在使用期間所收到的除了環(huán)境載荷以外的

9、其他載荷，分為靜載荷和動載荷。（3）施工載荷施工載荷是指平臺在建造、海上吊運(yùn)、安裝過程中承受的載荷。盡管這些載荷不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要校核的控制載荷，但是由于這些載荷會使一些構(gòu)建產(chǎn)生瞬時的高應(yīng)力，必須校核這些載荷對平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生得影響。對于使用載荷和施工載荷的計(jì)算，有關(guān)平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范都有明確的規(guī)定，而且各國規(guī)范的規(guī)定正在趨于一致。環(huán)境載荷是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制載荷之一。受多變環(huán)境條件影響，計(jì)算比較復(fù)雜。平臺不同高度不為承受的風(fēng)載荷不同。計(jì)算風(fēng)壓通常以一定的標(biāo)準(zhǔn)高度和選定的形狀的構(gòu)件所承受的風(fēng)壓力作為基本風(fēng)壓值，然后再對風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀加以修正。海（潮）流載荷、地震載荷、冰載荷對海洋平臺

10、的影響也是不可忽視的。海(潮）流流速及其沿深度方向的分布規(guī)律，海潮流流向，結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸都是影響海潮流載荷的主要因素。地震對平臺結(jié)構(gòu)破壞具有實(shí)際意義的地震特征是地震強(qiáng)度(幅值)頻譜特性和持續(xù)時間(簡稱持時)三要素。為了保證結(jié)構(gòu)物的安全，應(yīng)該是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大于冰的破壞強(qiáng)度，這樣冰與結(jié)構(gòu)物相互作用是時，冰就會破壞，使結(jié)構(gòu)物保持安全。2.2 固定式海洋平臺巨型框架設(shè)計(jì)對海洋平臺的幾何尺寸進(jìn)行模型構(gòu)建，取載荷最不利的情況進(jìn)行靜力分析，求的平臺結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，校核平臺的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。經(jīng)過靜力分析研究結(jié)構(gòu)尺寸對海洋平臺的性能影響，得到合理的結(jié)構(gòu)尺寸。2.2.1平臺模型構(gòu)建運(yùn)用那個巨型框架理論建造巨型框架平

11、臺，巨型框架平臺由矩形柱和矩形梁相互連接構(gòu)成空間矩形框架結(jié)構(gòu)。將傳統(tǒng)的導(dǎo)管架立柱直徑增大構(gòu)成巨型柱，巨型梁沿平臺均勻分布橫撐和斜撐，巨型梁高度為10m20m左右，每個26個巨型梁的高度設(shè)置一道。巨型柱和巨型梁形成有很強(qiáng)抗側(cè)剛度的垂直懸臂梁，有效抵御垂直載荷和水平載荷。 （1） 豎直載荷平臺的豎直方向的載荷主要包括平臺主題自重、機(jī)械設(shè)備的重力和次結(jié)構(gòu)的重力等。平臺的自重均勻分布由各個樁腿承擔(dān)。機(jī)械設(shè)備的重力和次結(jié)構(gòu)的重力集中分布在安裝點(diǎn)上。以中國海洋石油總公司湛江分公司的w12-1平臺為例，平臺上生活模塊(生活樓加上直升機(jī)升降平臺)重500t，16t吊車安裝在平臺的右前側(cè)；50t的天然氣壓縮機(jī)安

12、裝在底層甲板的正前方；100t的二級分離器(含油)安裝在中層甲板的正后方，修井機(jī)安裝在右側(cè)等等3。這些結(jié)構(gòu)由于工藝安裝位置的限制，容易造成樁腿承擔(dān)載荷不均勻。載荷的嚴(yán)重分布不均會引起平臺導(dǎo)管架破壞。（2） 水平載荷海洋平臺承受的水平載荷主要有海浪、海風(fēng)、海流、海冰等。水平載荷對平臺的作用基本相似，研究方法相同，以海浪載荷為例研究水平載荷對海洋平臺的影響。設(shè)計(jì)海況深度85m波高6m，波周期為10s。水深與波長比值大于0.5，可用利用艾里波理論來計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)的水平速度和水平加速度，然后用莫里森方程求解作用在立柱上的作用力，總力分配到有限元平臺模型的立柱節(jié)點(diǎn)上。不同水深處，立柱節(jié)點(diǎn)的水平力如下表：表2

13、.1 不同水深處立柱的水平力 水深（m） 力（n）0 43442 -12.5 26273 -25 15890 -37.5 9610 -50 5812 -62.5 3515 -75 1782（3） 平臺幾何尺寸本設(shè)計(jì)是由16根巨型立柱和三層平臺組成。海底上平臺高度是100.4m。本設(shè)計(jì)平臺巨型柱為直徑1524mm，壁厚20mm的鋼管；巨型梁是直徑660.4mm，壁厚19.05mm的鋼管構(gòu)成的空間桁架結(jié)構(gòu)。三層巨型梁分布分別在海底以上15m、50m和100.4m處（如圖2.2所示），三道巨型梁的層高分別是20m、20m和7m；上部平臺立柱與巨型柱的型號材料相同。各立柱用型鋼連接，主梁型號為，平臺向

14、外延伸部分采用的型鋼的型號為。 圖2.1 巨型框架平臺經(jīng)過查閱資料，巨型柱的位移和抗彎強(qiáng)度與巨型柱的傾角有很大關(guān)系，隨著傾角的增大，位移增大，同時抗彎剛度也增大。綜合考慮各方向的位移和抗彎強(qiáng)度情況，當(dāng)巨型柱的傾角為10左右較合理。若是再繼續(xù)增加角度來改變位移量，效果不再明顯。本設(shè)計(jì)取傾角為8和4。（4）巨型平臺導(dǎo)管架管節(jié)點(diǎn)的連接形式導(dǎo)管架是整個平臺的支撐部分，是鋼管焊接而成的一個空間桁架結(jié)構(gòu)。各管子靠關(guān)節(jié)點(diǎn)相連。管子相交所構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)稱為管節(jié)點(diǎn)。管節(jié)點(diǎn)是平臺結(jié)構(gòu)的一個組成部分，它是用熔焊的方法將作為構(gòu)件來連接到另一根構(gòu)件的表面上形成的。關(guān)節(jié)點(diǎn)是導(dǎo)管架的薄弱環(huán)節(jié)。在一個平面內(nèi)，在兩個或多個縱向軸交

15、叉處，從撐桿軸與懸管軸的交點(diǎn)至懸管軸的垂直距離定義為偏心距。如果此距離與撐桿同側(cè)，則偏心距為負(fù)值；如果此距離在背桿側(cè)，則偏心距為正值。負(fù)偏心距引起撐桿的搭接；正偏心距引起撐桿的分開。對于本位的結(jié)構(gòu)，負(fù)偏心距可以提高平臺的承載能力。但是，與無搭接點(diǎn)相比，具有搭接撐桿的節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命可能會降低。關(guān)節(jié)點(diǎn)的受力分析很復(fù)雜，其不利情況是應(yīng)力集中。在危險(xiǎn)位置處所達(dá)到的應(yīng)力是正常應(yīng)力的倍數(shù)，即應(yīng)力集中系數(shù)。不同形狀的應(yīng)力集中系數(shù)不同，應(yīng)選擇應(yīng)力集中系數(shù)小的連接方式。本設(shè)計(jì)各管節(jié)點(diǎn)才贏得是負(fù)偏心距連接。3海洋平臺巨型平臺上部設(shè)計(jì)海洋平臺的上部結(jié)構(gòu)分成了兩層，由甲板、立柱及平臺上的采油設(shè)備、生活設(shè)施等使用設(shè)備構(gòu)

16、成。上部平臺高出海平面，產(chǎn)生振動時位移較大，恢復(fù)平衡周期長，因此海洋平臺上部結(jié)構(gòu)要有較強(qiáng)的抗震、吸震、減震功能。3.1海洋平臺上部的減震在海洋這樣惡劣的環(huán)境下，海風(fēng)肆虐，海浪咆哮，僅僅海洋平臺的巨型框架的抗震減震作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。通常一般的導(dǎo)管架平臺是利用加入tmd（調(diào)頻質(zhì)量阻尼器）系統(tǒng)，對上部平臺的震動進(jìn)行控制。雖然在上部平臺結(jié)構(gòu)中加入tmd雖然其阻尼系統(tǒng)能夠起到減震的作用，但是加入平臺的質(zhì)量在遇到不穩(wěn)定載荷時，增加這部分質(zhì)量會變成激勵載荷，加劇海洋平臺的震動。tmd的減震性能是與其質(zhì)量有關(guān)的，質(zhì)量越大其減震性能也越好，其帶來的副作用也越大。傳統(tǒng)海洋平臺的上部設(shè)計(jì)是將上部模塊與甲板直接焊接在

17、一起。在不穩(wěn)定載荷下，上部系統(tǒng)模塊就會變成有害的激勵載荷，加劇平臺的震動。因此，本文提出了擴(kuò)展的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器減震系統(tǒng)(etmd系統(tǒng))，即將平臺上的生活模塊與彈簧阻尼器直接相連，組成一個大的tmd系統(tǒng)。這樣不僅可以有效控制平臺震動，平臺的質(zhì)量也沒有增加。很好的彌補(bǔ)了tmd存在的不足，大大擴(kuò)大了其使用范圍。etmd系統(tǒng)中要合理調(diào)整彈簧的剛度和阻尼器的系數(shù)，使平臺的慣性力和激勵載荷相反，成為能抵抗海浪、颶風(fēng)、地震等惡劣載荷的有意力量。合理選擇etmd系統(tǒng)的質(zhì)量體，還能提高etmd控制震動的能力，使其達(dá)到能控制多階震動的功能。下圖為傳統(tǒng)tmd（圖3.1）和改進(jìn)etmd（圖3.2）：圖3.1 tmd系

18、統(tǒng) 圖3.2 etmd系統(tǒng)3.1.1 etmd系統(tǒng)的組成及工作原理（1）etmd的系統(tǒng)組成本文涉及的etmd系統(tǒng)，主要是由主框架、減震系統(tǒng)、鋼軌、甲板、防護(hù)板等組成。主框架通過支撐輪和防傾輪與甲板相連，支撐輪圓柱表面與導(dǎo)軌接觸，防傾輪側(cè)面與導(dǎo)軌側(cè)面接觸（如圖3.3所示）。彈簧一端通過滑塊上的銷軸與導(dǎo)軌相連，銷軸由液壓缸控制（如圖3.4所示）另一端與甲板相連。導(dǎo)軌和主框架相連接。圖3.3 支撐輪、防傾輪與導(dǎo)軌連接圖3.4 滑塊銷軸與導(dǎo)軌相連阻尼器為液控鎖阻尼器，一端連接在甲板上，另一端同過阻尼器安裝座與主框架通過摩擦力相連接（如圖3.5），圖3.5 阻尼器與主框架連接（2）etmd系統(tǒng)的工作原理

19、 平時工作時阻尼器內(nèi)壓力減低，滾柱與殼體的間隙增大，滾柱也上殼體不接觸，沒有摩擦力，同時，連接銷軸與導(dǎo)軌脫離脫離，主框架相對導(dǎo)軌脫離，減震系統(tǒng)與主框架浮動連接，此時彈簧和阻尼器隨甲板一起振動，不起作用，滑塊可以沿導(dǎo)軌自由滑動。當(dāng)遇到劇烈振動時，減震系統(tǒng)可以開始工作，液控鎖阻尼器內(nèi)壓力升高，阻尼器開始工作，同時由液壓缸控制的銷軸被壓緊滑塊被固定，彈簧與甲板導(dǎo)軌連成一體。通過彈簧和阻尼器吸收消耗振動能量。（4） 液控鎖阻尼器的工作原理液控鎖阻尼器由殼體、滾柱，活塞、油道、球頭柱塞等部分組成。如圖3.6圖3.6 液控鎖阻尼器液壓鎖阻尼器一端與次結(jié)構(gòu)或裝置相連，另一端與平臺相連。液壓鎖阻尼器通過油管進(jìn)

20、行進(jìn)油排油，從而控制阻尼器腔內(nèi)的壓力。當(dāng)平臺振動時，帶動活塞產(chǎn)生相對運(yùn)動，通過油管進(jìn)油時壓力升高推動球頭柱塞向外移動，柱塞頂起，剛性板逐漸被抬起，滾柱被壓緊頂緊殼體，滾柱與剛性板之間間隙減小，相互擠壓才生更大的摩擦力。同時，滾柱與殼體上部壓緊，摩擦力也增大，通過摩擦力與甲板相連，通過摩擦消耗振動能量。圖3.7 滾柱壓緊殼體當(dāng)平臺相對穩(wěn)定時，液壓油被排出，液壓腔的壓力減低，柱塞落下剛性板與上部空間變大，上部殼體與主框架脫離，阻尼器可以沿導(dǎo)槽隨甲板移動，此時液壓鎖阻尼器不工作。（5）彈簧裝置的工作原理彈簧裝置是由彈簧、滑塊機(jī)構(gòu)、液壓缸、銷軸、彈簧安裝座等部分組成。減震裝置中的彈簧是通過彈簧座與甲板

21、相連接，彈簧座是固定在甲板上，另一端通過滑塊與導(dǎo)軌相連，滑塊是由液壓缸控制，液壓缸帶動銷軸壓緊或脫離導(dǎo)軌。平時工作時，銷軸脫離導(dǎo)軌，此時減震裝置與甲板連成一體，隨甲板晃動，滑塊沿導(dǎo)軌滑動；當(dāng)平臺劇烈振動時，液壓缸控制銷軸壓緊導(dǎo)軌，此時滑塊被固定，彈簧與主框架連成一體，通過彈簧的拉伸與壓縮消耗振動能量。在不同載荷下，可以啟動不同的彈簧，通過液壓缸可以選的不同多根彈簧工作也可以選擇不同的彈簧組合工作。彈簧結(jié)構(gòu)如圖3.7：圖3.7 彈簧裝置etmd系統(tǒng)若只采用一組彈簧和阻尼器對平臺震動進(jìn)行控制時只能控制與平臺結(jié)構(gòu)固有頻率相等或者相近的振動，對其他頻率的振動控制效果是很差的。3.1.2 etmd系統(tǒng)中

22、彈簧剛度的計(jì)算etmd振動系統(tǒng)中彈簧的對剛度是有要求的，只有彈簧的剛度符合設(shè)計(jì)要求，etmd系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)減震功能。下面對彈簧的剛度進(jìn)行計(jì)算：通常計(jì)算固有頻率時一般只涉及35階，本設(shè)計(jì)中只對海洋平臺的15階固有頻率進(jìn)行計(jì)算。平臺上生活模塊(生活樓加上直升機(jī)升降平臺)重500t，16t吊車安裝在平臺的右前側(cè)；50t的天然氣壓縮機(jī)安裝在底層甲板的正前方；100t的二級分離器(含油)安裝在中層甲板的正后方，修井機(jī)安裝在右側(cè)等等，海洋平臺的總質(zhì)量約為900t。固有圓頻率計(jì)算公式： （3.1）固有頻率為： （3.2）周期為： （3.3）式中k彈簧剛度；m質(zhì)量塊的質(zhì)量。由公式可以看出，只要系統(tǒng)的質(zhì)量m和彈簧

23、的剛度k確定，固有頻率就是一定值。圖3.8 一階固有頻率為0.0022hz計(jì)算得一階固有頻率對應(yīng)的彈簧剛度：圖3.9 二階頻率為0.0014hz其對用彈簧剛度：圖3.10 三階頻率為0.0013hz則彈簧剛度：圖3.11 四階頻率為0.0054hz則彈簧剛度：圖3.12 五階頻率為0.0051hz則彈簧剛度：etmd系統(tǒng)也存在一定的缺陷，只有當(dāng)etmd減震系統(tǒng)的固有頻率與所連結(jié)的結(jié)構(gòu)的固有頻率相同或者相近時，才能實(shí)現(xiàn)較好的減震效果。但是當(dāng)兩者的固有頻率不相同時減震效果就會很差。我們知道在海洋中各種環(huán)境是非常復(fù)雜的，很難精確地確定所連接結(jié)構(gòu)的固有頻率。這樣就無法選擇一個合適的etmd系統(tǒng)與之配合

24、。另外，由于平臺的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，很難找到一個巨大的質(zhì)量體和合適的阻尼器來構(gòu)成合適的etmd系統(tǒng)。為了解決這個問題，必須擴(kuò)展etmd的頻率范圍。3.1.3 metmd系統(tǒng)為了使etmd在多頻率范圍內(nèi)都有較好的減震性能，可以使用多個etmd系統(tǒng)與需要減震的模塊相連，這些etmd每個都不相同，并且使每個的固有都不相同，其頻率以所連接的結(jié)構(gòu)的固有頻率為中心，在一個范圍內(nèi)變化。如所連接構(gòu)件的固有頻率是則所連接的多個etmd的固有頻率在一個范圍內(nèi)變化，其頻率分別為。這樣組成一個由多個etmd組成的可以在一定頻率范圍內(nèi)控制震動的新的系統(tǒng)。這個新的系統(tǒng)我們暫且稱為metmd系統(tǒng)。metmd系統(tǒng)如圖3.8所示：圖

25、3.13 metmd系統(tǒng)經(jīng)過資料查閱得到，當(dāng)帶寬度在0.350.6時，平臺具有較好的減振效果；在0.45左右時，系統(tǒng)振動幅度最小，減震效果最好。當(dāng)接近于0時，有較好的控制效果，但是所控制的頻帶寬度比較窄，稍有偏差，就容易引起平臺劇烈地共振。tmd數(shù)量為5時，平臺結(jié)構(gòu)已經(jīng)有相對較好的振動控制效果。繼續(xù)增加etmd的數(shù)量，平臺振動daf曲線幾乎完全重合，對平臺振效果的增加影響不大。在颶風(fēng)、海嘯和地震等異常情況下，選擇合適的質(zhì)量體來構(gòu)造etmd系統(tǒng)，并調(diào)整阻尼器和彈簧的參數(shù)，使其更大限度的消耗振動，消除振動。巨型框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)在陸地上的高大建筑物中成功應(yīng)用，為其在海洋平臺中應(yīng)用提供了足夠的理論依據(jù)和實(shí)

26、踐經(jīng)驗(yàn)。由于隨著矩形框架的不斷增大，其質(zhì)量和體積都不斷增大，在相同載荷的干擾下，引起的震動更難控制。本次設(shè)計(jì)不僅通過巨型框架結(jié)構(gòu)對海洋平臺進(jìn)行振動控制，而且利用etmd系統(tǒng)對震動進(jìn)行控制，大大提高了海洋平臺的振動控制能力。通過本次對海洋平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化使海洋平臺更加安全可靠，適用范圍更廣。3.2海洋平臺上部的介紹本設(shè)計(jì)海洋平臺上部平臺區(qū)域的劃分介紹，平臺可分為井口區(qū)、油氣分離和生產(chǎn)處理區(qū)、泥漿循環(huán)凈化設(shè)備、公用設(shè)備區(qū)、動力和其他輔助設(shè)計(jì)區(qū)、生活區(qū)、直升飛機(jī)甲板區(qū)。甲板結(jié)構(gòu)由桁架、支骨及夾板組成的位于導(dǎo)管架頂端的結(jié)構(gòu)，通常設(shè)兩次層工作臺，用以布置生產(chǎn)和生活設(shè)施。為了節(jié)省空間，各設(shè)備盡量選擇小體積，

27、油氣分離和生產(chǎn)處理區(qū)所用到的油罐，分離器等都用立式。平臺區(qū)域劃分根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要分為危險(xiǎn)區(qū)和非危險(xiǎn)區(qū)。其中井口為1類危險(xiǎn)區(qū)，油氣分離和生產(chǎn)處理為2類危險(xiǎn)區(qū)，其他為非危險(xiǎn)區(qū)，特別的生活區(qū)和直升飛機(jī)甲板用放在非危險(xiǎn)區(qū)。各危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)該盡可能分開布置不能混合布置。除了考慮上述問題，海洋平臺在海水中的腐蝕問題也是不可忽視的。海洋平臺的使用環(huán)境極其苛刻，日照、海風(fēng)、波浪沖擊、復(fù)雜的海水體系、晝夜和季節(jié)溫度變化及海生物侵蝕等使海洋平臺腐蝕速率較快，因此對防腐蝕保護(hù)體系的要求也高。海洋平臺是海上采油的重要設(shè)施。海洋平臺造價昂貴，日常維護(hù)困難，為保證平臺的安全可采用金屬鍍層、有機(jī)涂層和電化學(xué)方法。由于海洋環(huán)境的影響，平

28、臺用鋼具有特定的腐蝕規(guī)律和適宜的防腐蝕保護(hù)措施。4海洋平臺巨型柱的振動控制改進(jìn)海洋平臺所處的環(huán)境十分不穩(wěn)定，當(dāng)颶風(fēng)、地震等非常惡劣的環(huán)境下需要海洋平臺具有更好的抗震、減震、吸震能力。因此考慮，能從巨型柱著手控制巨型柱的固有頻率。由公式 （4.1）可以得到若想改變固有頻率f可以通過改變彈簧剛度k或質(zhì)量m來實(shí)現(xiàn)。巨型柱的尺寸不起普通的管子大的多。直徑為1524mm，巨型柱內(nèi)部空間是很大的。因此，將巨型柱分割成幾個密閉的空間，通過向巨型柱中注水的方法增加巨型柱的質(zhì)量，通過排水減少巨型柱的質(zhì)量。通過各個管路對各密封空間進(jìn)行單獨(dú)控制。巨型柱在不同深度處所受到載荷不同，可以根據(jù)不同載荷，增減各部分的水量從

29、而改變質(zhì)量達(dá)到調(diào)整巨型平臺的固有頻率的效果。 通過巨型結(jié)構(gòu)框架理論、etmd系統(tǒng)和對巨型柱的改進(jìn)，使海洋平臺能更好的適應(yīng)不同的環(huán)境載荷，提高了其對振動的控制能力。5 結(jié) 論現(xiàn)階段海洋開采開發(fā)還屬于初步階段，固定式海洋平臺以其經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性，剛度較大，受季節(jié)和環(huán)境影響較小，抵抗載荷能力強(qiáng)等優(yōu)越的性能，在海洋石油勘探開發(fā)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。固定式海洋平臺的設(shè)計(jì)理論和建造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，其集鉆井、采油、儲存于一體，已經(jīng)在實(shí)踐中得到很好的應(yīng)用。近海油氣開采已經(jīng)日臻成熟，淺海開采已經(jīng)向深海開采方向發(fā)展，傳統(tǒng)的固定海洋是平臺面臨巨大挑戰(zhàn)。本文對傳統(tǒng)導(dǎo)管架平臺進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使其能夠適應(yīng)更惡劣的海洋環(huán)境。

30、本設(shè)計(jì)平臺是集抗震、減震、吸震多種振動控制于一體的新型海洋平臺。通過對傳統(tǒng)導(dǎo)管架海洋平臺的重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，利用矩形框架構(gòu)造理論，構(gòu)建出巨型導(dǎo)管架海洋平臺。將傳統(tǒng)的導(dǎo)管架立柱的直徑增大，形成巨型柱，將平臺的橫撐和斜撐重新布置，形成了巨型梁。重新布置巨型柱和巨型梁的位置和角度，形成更加穩(wěn)固的空間桁架結(jié)構(gòu)，即巨型平臺的框架結(jié)構(gòu)。最外層立柱角度取8立柱均勻分布，巨型梁的是三層分布，分別在海底以上15m、50m和100.4m處，三道巨型梁的層高分別是20m、20m和7m。各立柱用型鋼連接，主梁型號為，平臺向外延伸部分采用的型鋼的型號為。巨型框架結(jié)構(gòu)載荷均勻分布，形成的平臺更加穩(wěn)固可靠。針對海洋環(huán)境中各種

31、惡劣的自然載荷，本設(shè)計(jì)多傳統(tǒng)的tmd系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展，平臺上的設(shè)備、裝置甚至各種結(jié)構(gòu)可以與彈簧和阻尼器相連，形成新的結(jié)構(gòu)etmd系統(tǒng)，更有效地吸收和消耗載荷產(chǎn)生的震動，實(shí)現(xiàn)對振動的有效控制。為了克服單一etmd系統(tǒng)只能控制單一頻率的弱點(diǎn)，采用多個不同頻率的tmd擴(kuò)展其控制的頻帶寬的，使其能控制一定頻率范圍內(nèi)的振動。構(gòu)造的這多個etmd系統(tǒng)組成了新型的metmd系統(tǒng)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)etmd系統(tǒng)的個數(shù)是5個時，已經(jīng)達(dá)到了較好的振動控制效果。其在不增加海洋平臺自重的情況下達(dá)到了更好的振動控制效果。綜合各方面的優(yōu)化，本文的固定式海洋平臺能很好的控制各種載荷引起的振動，能更好的適應(yīng)目前的環(huán)境，平臺更加穩(wěn)固，布置合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。參 考 文 獻(xiàn) 1 趙東. 組合抗震海洋平臺振動控制研究：博士學(xué)位論文. 濟(jì)南：山東大學(xué). 2002 2 徐興平. 海洋石油工