【正文】 ，這樣就使得整個(gè)模塊可以送往海洋平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，可以減少海上安裝的工作量，大大降低了海上安裝的花銷。自升式平臺(tái)在數(shù)量上增加較快，到 1985 年，自升式平臺(tái)占移動(dòng)式鉆井裝置總數(shù)的比例己達(dá)到 60%。 1984 年第一座張力 腿平臺(tái)正式安裝在美國(guó)的 Hutton 油田，工作水深 157 米。 目前我國(guó)海洋平臺(tái)發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步和成效，已經(jīng)探明了海洋油氣儲(chǔ)量的具體位置（主要在淺海海域），勘測(cè)出我國(guó)淺海海域的石油儲(chǔ)量約 13 億噸，其中一半儲(chǔ)量處在邊際油田地區(qū)。對(duì)于目前已探明的油氣儲(chǔ)量主要在淺海海域，其中近一半屬于邊際型油田。并且海洋平臺(tái)的造價(jià)一般比較昂貴，如何在高代價(jià)下獲得最好的使 用效果是向來(lái)為人們所追求的。因此，充分注重海洋平臺(tái)防護(hù)減震的意義是十分重要的。我們?cè)谠O(shè)計(jì)海洋平臺(tái)時(shí)，雖然不能夠通過(guò)復(fù)雜的試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)和尋找實(shí)際復(fù)雜情況下最佳的設(shè)計(jì)方案，但是具體的數(shù)值分析和優(yōu)化確實(shí)必須的。西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 13 第 3 章 海洋平臺(tái)防護(hù)機(jī)構(gòu)相關(guān)原理及關(guān)鍵技術(shù) 海洋平臺(tái)的物理性質(zhì) 引言 海洋平臺(tái)的最重要的參數(shù)是固有頻率，如果它與漩渦脫離、波浪等激發(fā)頻率相一致，便產(chǎn)生共振，由此而引起載荷的放大。 )(tFKxxCxM ??? amp。注意這個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題是有好處的，因?yàn)檫@可給出 可能發(fā)生的最低固有頻率。常見(jiàn)的形狀有圓柱，球，平板，方形體等。所選的許多點(diǎn)叫節(jié)點(diǎn)，質(zhì)量集中在這些節(jié)點(diǎn)上。 阻尼 在影響動(dòng)力載荷反應(yīng)的參數(shù)中，結(jié)構(gòu)物的阻尼是最難確定的。這一增加近似地正比于包括在模式中的應(yīng)變總能量。 當(dāng)波浪陡度增加時(shí) ,具有更為尖銳峰的真實(shí)波浪的不對(duì)稱性也增加了。 3. 波陡 波陡是波高 H與波長(zhǎng) L的比值，即 H/L；在物理意義上 ,深水中的波陡不能超過(guò) 1/7,此時(shí)波浪不穩(wěn)定破碎。 軌道速度和質(zhì)量輸送 雖然波形的傳播和波長(zhǎng)有關(guān) ,但水質(zhì)點(diǎn)正常運(yùn)動(dòng)的速度是很低的。較大能量的波能做更大的功 ,因此它會(huì)比能量較小的波浪引起更大的破壞。 風(fēng)浪 風(fēng)浪的尺度依賴于三個(gè)因子 :風(fēng)速、風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)。 不同周期和波高的波相互疊加而形成波譜。較短，較低的進(jìn)行波留在后邊，而較長(zhǎng)的那些波對(duì)譜起著決定作用。目前風(fēng)浪、波浪對(duì)海洋平臺(tái)的防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響主要集中在海岸上，而現(xiàn)有的研究難以完全應(yīng)用到不同情況下的海洋平臺(tái)建設(shè)中。這些結(jié)構(gòu)建設(shè)一般是由各式各樣的部件組成，并且每一個(gè)部件又由不同的材料制成，這樣就決定了不同的結(jié)構(gòu)所受的載荷歷史和環(huán)境條件又面臨著不同和復(fù)雜的形式，這些形式絕大多數(shù)是隨機(jī)性質(zhì)的，加上海洋環(huán)境的自身復(fù)雜性，海洋工程結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題就比較突出。疲勞破壞需要很長(zhǎng)的時(shí)間，它是一個(gè)逐漸累積的破壞過(guò)程。在當(dāng)裂紋的起始工作完成后，裂紋就會(huì)在海洋環(huán)境 的疲勞破壞下，沿著垂直于最大主應(yīng)力的方向穩(wěn)定擴(kuò)展，對(duì)于金屬材料的裂紋，其裂紋擴(kuò)展速率將從緩慢到極速呈曲線變化。這里面最著名的就是 Miner 理論，這個(gè)理論在海洋工程建設(shè)上得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于疲勞損傷理論目前有很多，不過(guò)主要常用的有兩種，一個(gè)是線性累積損傷理論，一個(gè)是修正線性損傷理論。隨著裂紋的不斷擴(kuò)大，剖面就會(huì)被逐漸削弱，海洋平臺(tái)的材料或構(gòu)件靜強(qiáng)度就會(huì)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在不足時(shí)，或者在某載荷作用超出范圍時(shí)，海洋平臺(tái)就會(huì)出現(xiàn)突然斷裂的情況，海洋平臺(tái)的突然性破壞將會(huì)使材料的端面呈晶粒狀。因此，海洋平臺(tái)建設(shè)中，充分考慮交變載荷作用，根據(jù)數(shù)據(jù)分析去考慮海洋平臺(tái)工作的零件或構(gòu)件，如果只是按靜載荷去設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)，在海洋平臺(tái)的使用過(guò)程中，肯定會(huì)面臨更多的問(wèn)題，因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境復(fù)雜，往往會(huì)面臨一些突如其來(lái)的破壞。在海洋平臺(tái)的建設(shè)中，應(yīng)該重視波浪破波壓力形成的附加拉應(yīng)力，在防護(hù)板的設(shè)計(jì)中 適當(dāng)對(duì)混凝土板配筋、選取恰當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)厚比等進(jìn)行考慮。 設(shè)計(jì)原理分析 防護(hù)板原理 海洋平臺(tái)經(jīng)常面臨著水流及船行波、風(fēng)成浪等侵蝕和沖擊，必須對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行加以固定綁定。所以，涌浪在波浪氣候研究中是很重要的。在外海，幾乎總有很多波浪彼此疊加，而使水面呈現(xiàn)一種雜亂的狀態(tài)。一個(gè)波長(zhǎng)和單位波峰長(zhǎng)的能量 E,由下式給定公式（ 33）： 82gLHE ?? （ 33） 波浪的描述 作為外激發(fā)力的波浪 : 波浪是風(fēng)吹水面而引起的 ,在風(fēng)停止了對(duì)它的作用后 ,繼續(xù)存在。質(zhì)量輸送的速度和波速或軌道速度相比很小 ,波浪很小時(shí)更是這樣。軌道不是封閉的圓 ,水稍向前的移動(dòng)就是通常所說(shuō)的質(zhì)量輸送。 波長(zhǎng)和周期之間的一階關(guān)系 ,用公式（ 32）表示： ?22gTL? ， 即 TL? （ 32） 2. 波高 (H) 波高 ,表示從谷到峰的垂直距離。 波浪形態(tài) 波浪基本特征 在深水中 ,小振幅波理想化的形狀是正弦曲線。在基本的（彎曲）模式中，全部看作是阻尼作用，除非是另有說(shuō)明。 如果離散點(diǎn)的數(shù)目很多，我們僅對(duì)最重要的少數(shù)振動(dòng)模式感興趣，這樣的模擬方法是完全能夠滿足精度要求的。在一般意義上給出這些點(diǎn)的選法是很困難的，因?yàn)檫€要考慮經(jīng)驗(yàn)，而且分析清楚可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)提供一個(gè)適合的集中模式是很有用的。這樣，包含水的空心元件其有效質(zhì)量為元件質(zhì)量、包含在元件內(nèi)的水的質(zhì)量、外部附連水的質(zhì)量。 質(zhì)量 在計(jì)算結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量時(shí)，第一步先要給出包括基礎(chǔ)和土壤的結(jié)構(gòu)物質(zhì)量詳細(xì)情況和它的質(zhì)量分布。 這里給出確定一個(gè)結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)的方法和公式，建立了一個(gè)理想化的分析模型，并用來(lái)進(jìn)行動(dòng)力分析。而且安裝和維護(hù)的成本不高，兼?zhèn)浣?jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。但是，如何更好的去制造和提高海洋平臺(tái)的可靠性和降低造價(jià)問(wèn)題，依舊需要進(jìn)一步的研究。如果忽略就會(huì)引起各種重要的海洋事故，不僅僅 造成巨大的影響，而且?guī)?lái)直接的經(jīng)濟(jì)損失，甚至生態(tài)污染或者災(zāi)害。同時(shí)，我們可以看出，這些影響因素不僅僅是一時(shí)的作用，它們是長(zhǎng)期存在、連續(xù)并且具有隨機(jī)不確定性。自我國(guó)第一座固定式導(dǎo)管架海洋平臺(tái)建成以來(lái)，經(jīng)過(guò) 40 多年的努力，我國(guó)海洋石油總公司已經(jīng)建立了四大公司 :渤海公司、南海東部、西部公司和東海公司，同時(shí)建成了30 余座海洋平臺(tái)。 我國(guó)對(duì)于海洋平臺(tái)的發(fā)展，十分重要的經(jīng) 濟(jì)問(wèn)題是我國(guó)在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型時(shí)，一般考慮油田的油氣特性、海洋的海風(fēng)、海浪、海冰和潮汐等海洋環(huán)境因素，還考慮海洋平臺(tái)制造的自身因素、和材料的加工技術(shù)。面對(duì)深水油氣田的開(kāi)發(fā)的需要，又設(shè)計(jì)出了柔性支承結(jié)構(gòu)的海洋平臺(tái)、牽索固定的塔式海洋平臺(tái)和半潛式海洋平臺(tái)、自升式海洋平臺(tái)等。 為了適應(yīng)在不同水深范圍內(nèi)鉆井， 1954 年第一座自升式鉆井平臺(tái)“加里福尼亞 1號(hào)”建成。那個(gè)時(shí)候正處在第二次世界大戰(zhàn)之后，戰(zhàn)爭(zhēng)中許多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和研究成果不斷的運(yùn)用到海洋事業(yè)的開(kāi)發(fā)中，尤其是鋼管制造技術(shù)，使鋼鐵技術(shù)得到了快速發(fā)展，鋼管樁樁徑、壁厚和樁的長(zhǎng)度可以得到不斷增加，加上電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，讓海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)可以更加準(zhǔn)確和快速的分析，加上大型運(yùn)輸駁船、大型打樁錘技術(shù)和設(shè)備的廣泛運(yùn)用，海洋平臺(tái)建設(shè)得到了空前的快速發(fā)展。這種平臺(tái)具有鉆井、采油、儲(chǔ)油等多種功能，水深在 200 米以內(nèi)均可采用，最佳水深為 100～ 150 米。是一種新型的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu) ,其支承塔架下端著地，上端一般用 4～ 8 根鋼索張緊固定。因此，半潛式平臺(tái)是目前深海鉆井的主要裝置。一般都有自航能力，可在幾百米或上千米水深的海域工作，但對(duì)風(fēng)浪極為敏感，當(dāng)風(fēng)力超過(guò) 7～ 8級(jí)，波高超過(guò) 3～ 4 米時(shí)就要停止作業(yè)。 自升式平臺(tái)分為插樁自升式和沉墊自升式。沉墊可以是整體式，也可以是分離式。 重力式平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)防止基礎(chǔ)艙壁失穩(wěn)或壓壞。 鋼 鋼筋混凝土重力式平臺(tái)。依靠自身重量維持穩(wěn)定的固定式海洋平臺(tái)。用于深海的導(dǎo)管架高度很大，整體運(yùn)輸困難，可采用分段制造，分段下水連接而成。結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度以防止嚴(yán)重振動(dòng)，保證安全操作。甲板上布置成套鉆采裝置及輔助工具、動(dòng)力裝置、泥漿循環(huán)凈化設(shè)備、人員的工作、生活設(shè)施和直升飛機(jī)升降臺(tái)等。按其結(jié)構(gòu)特性和工作狀態(tài)可分為固定式、活動(dòng)式和半固定式三大類。所以，必須建立安全的海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)，確保平臺(tái)的安全，這是海洋工程健康發(fā)展的十分必要條件，也是可行的。海洋工程是以開(kāi)發(fā)和利用各種海洋資源為目的而存在和建造的一系列的工程結(jié)構(gòu)物，還包括為了完成這些科研、任務(wù)、開(kāi)發(fā)等所需的一系列的技術(shù)平臺(tái)和設(shè)備儀器。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并通過(guò)對(duì)海洋平臺(tái)的考察，獲得研究的第一手資料，這樣可以在現(xiàn)有的理論的基礎(chǔ)上，對(duì)觀察到的事實(shí)進(jìn)行分析研究，形成自己的結(jié)論。 研究的內(nèi)容和方法 研究的內(nèi)容 海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)體積龐大，建設(shè)造價(jià)昂貴，加上海洋結(jié)構(gòu)比陸地結(jié)構(gòu)復(fù)雜和惡劣，風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐等作用，時(shí)時(shí)對(duì) 海洋防護(hù)平臺(tái)進(jìn)行破壞，嚴(yán)重時(shí)海洋平臺(tái)受到地震威脅，在這種情形下，對(duì)于海洋防護(hù)平臺(tái)的研究，就顯得非常重要。目前國(guó)內(nèi)外很多的海洋防護(hù)平臺(tái)已進(jìn)入或正在進(jìn)入后期服役階段，呈現(xiàn)老齡化平臺(tái)，有的海洋防護(hù)平臺(tái)已經(jīng)出現(xiàn)超齡服役階段，由于海洋平臺(tái)的造價(jià)十分昂貴，一般從經(jīng)濟(jì)性考慮，在實(shí)踐過(guò)程中，盡可能讓海洋平臺(tái)服役期延長(zhǎng)。對(duì)于海洋平臺(tái)的優(yōu)化，主要有 3 個(gè)層次 :一是選型優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化，二是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化、三是可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化，本文將主 要對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行展開(kāi)探討，希望通過(guò)自己的設(shè)想，尋找一個(gè)可靠的設(shè)計(jì)模型。 隨著數(shù)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)優(yōu)化方法在海洋工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化中不斷得到運(yùn)用。 過(guò)玉卿（ 1985）指出了“三峰谷計(jì)數(shù)原則”，并用這個(gè)原則代替了以前的“四峰谷計(jì)數(shù)原則”，這個(gè)原則在對(duì)海洋平臺(tái)的防護(hù)研究中，計(jì)算雨流法顯的比較簡(jiǎn)便。 （ 1990）對(duì)于海洋防護(hù)工程的結(jié)構(gòu)的疲勞破壞進(jìn)行了大量的研究，他采用 Miner 線性累積損傷理論和S 一曲線來(lái)計(jì)算海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和壽命長(zhǎng)度。不過(guò)目前還沒(méi)有簡(jiǎn)單、有效的海洋平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)可以準(zhǔn)確地辨識(shí)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性。 2. 海 洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系大，并且復(fù)雜 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)一般包括上部結(jié)構(gòu)，水下結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)油設(shè)施與地基基礎(chǔ)等等，這些結(jié)構(gòu)占據(jù)面積大，設(shè)備眾多，因此考慮時(shí)要面臨眾多問(wèn)題的分析。 固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 2 圖 11 CII 平臺(tái)照片 海洋平臺(tái)是海洋石油、天然氣等資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是石油和天然氣開(kāi)發(fā)必須的設(shè)備，也是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。印度洋的多金屬結(jié)核富集區(qū)主要有馬達(dá)加斯加海盆、克羅澤海盆、澳大利亞海盆南部、南非海岸外以東海域。 據(jù)初步調(diào)查認(rèn)為， 15%的深海區(qū)賦存有錳結(jié)核資源，總儲(chǔ)量約 3 萬(wàn)億噸。日本學(xué)者認(rèn)為，世界石油可采儲(chǔ)量 2721億噸，其中海底石油 億噸，近年來(lái)，海底石油和天然氣勘探已向深水區(qū)發(fā)展，在水深 4000m 海底鉆探石油，因此，海底石油實(shí)際數(shù)量肯定會(huì)超過(guò)上述各種預(yù)測(cè)數(shù)字。 Wave power。 本文針對(duì)海洋平臺(tái)防護(hù)進(jìn) 行研究，結(jié)合目前現(xiàn)有的研究成果，提出了自己的海洋平臺(tái)防護(hù)模型。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)昂貴；特別是與陸上結(jié)構(gòu)相比，它們所處環(huán)境條件十分復(fù)雜和惡劣，受風(fēng)、浪、流和冰的聯(lián)合作用，同時(shí)還遭受臺(tái)風(fēng)和地震等極端荷載的威脅。從計(jì)算分析的結(jié)果來(lái)看，海洋平臺(tái)防護(hù)機(jī)構(gòu)的減振效果是相當(dāng)?shù)挠行Ч?。全世界大陸架的總面積約 2800 萬(wàn)平方公里。 算成石油可比當(dāng)量，認(rèn)為世界天然氣為 1656 億噸，其中海底天然氣為 556 億噸。20176。 1976 年 Archer和 Healjng 據(jù) 1523 個(gè)站位的資料推算，總儲(chǔ)量約 750億噸。加上海洋惡劣環(huán)境的腐蝕、海生物附著、地基土沖刷以及海洋平臺(tái)材料自身的老化、構(gòu)件自身存在的缺陷和機(jī)械存在損傷等不利因素的影響，都將導(dǎo)致海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力面臨下降和衰減，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全度和耐久性。 5. 海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法多重選擇 在對(duì)海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，既有屈服準(zhǔn)則、屈曲準(zhǔn)則，又有疲勞準(zhǔn)則、開(kāi)裂準(zhǔn)則等，還要面對(duì)有確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和那些不確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)在沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇復(fù)雜，難以統(tǒng)一。 研究的現(xiàn)狀 國(guó)外研究的現(xiàn)狀 Dario Botte（ 1997）在對(duì)于海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)探究中指出，海洋平臺(tái)防護(hù)所受載荷主要集中在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷上，尤其是波浪載荷對(duì)平臺(tái)的承載。而事實(shí)上，海洋平臺(tái)防護(hù)工程結(jié)構(gòu)的疲勞受大量不確定因素制約，相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，并且這些影響因素又是隨機(jī)影響的。 對(duì)于海洋平臺(tái)的防護(hù)研究中，金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷裂引起了很多專家和學(xué)者的關(guān)注，在他們的研究過(guò)程中，張世聯(lián)（ 1994）指出，海洋平臺(tái)防護(hù)有 80%以上是由疲勞引起的。 國(guó)內(nèi)外的這些研 究為海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)提供了很好的理論指導(dǎo)，不過(guò)這些理論定性分析較多，定量研究較少，并且缺乏一定的可操作性，因此這些研究需要進(jìn)一步的深入完善，結(jié)合海洋平臺(tái)自身的特色進(jìn)行分析，提出更加可靠安全持久耐用的海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)。海洋平臺(tái)長(zhǎng)期處于惡劣的海洋環(huán)境中，受風(fēng)、浪、流、海冰、地震等自然環(huán)境作用，由于環(huán)境荷載的重復(fù)性和惡劣性，使海洋平臺(tái)在使用過(guò)程中存在明顯持續(xù)不斷的振動(dòng)問(wèn)題．這種長(zhǎng)期性的作用會(huì)造成海洋平臺(tái)的振動(dòng)從而加劇平臺(tái)的疲勞破壞、降低系統(tǒng)的可靠度，給生產(chǎn)、生活帶來(lái)諸多不利影響。如何建設(shè)更加安全經(jīng)濟(jì)的海洋防護(hù)平臺(tái)，將成為很多國(guó)家學(xué)者研究的關(guān)鍵問(wèn)題。 第三部分主要講海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建的原理及關(guān)鍵技術(shù)，這部分是本文研究重點(diǎn)，也是本文的關(guān)鍵部分，這部分首先分析海洋平臺(tái)的物理性質(zhì)、海浪的相關(guān)知識(shí)，這為研究海洋平臺(tái)