【正文】 的設(shè)計(jì)原理提供理論基礎(chǔ)，然后根據(jù)海洋防護(hù)平臺(tái)物理性質(zhì)和海浪的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出安全、可靠的海洋防護(hù)系統(tǒng)，提出設(shè)計(jì)的原理功效、思路等，并且指出設(shè)計(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。 定量研究與定性研究相結(jié)合的方法。海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的完善性和科學(xué)性直接關(guān)系到海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)利用的成本和效率。 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜、自身的體積龐大 ,加上外在的海洋環(huán)境復(fù)雜和惡劣 ,使得海洋平臺(tái)材料易老化、構(gòu)件缺陷和機(jī)械損傷以及疲勞和裂紋擴(kuò)展等等，這些不利因素的影響往往會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)衰減 ,降低了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的服役安全度和耐久性。近年來(lái)正在研究新穎的半固定 式海洋平臺(tái)，它既能固定在深水中，又具有可移性，張力腿式平臺(tái)即屬此類。樁支承全部荷載并固定平臺(tái)位置。管結(jié)點(diǎn)是一個(gè)空間結(jié)點(diǎn)，應(yīng)力分布復(fù)雜；近年應(yīng)用譜分析技術(shù)分析管結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，取得較好的結(jié)果。由腿柱 （通常直徑達(dá) 6米）、水平桿和斜桿及大梁 (圓形或箱形 )組成。整體式基礎(chǔ)一般是由若干圓筒形的艙室組成的 大沉墊。整體式基礎(chǔ)多建造在密實(shí)的砂土上，避免建在松散砂或較厚的軟土地基上?；A(chǔ)下邊可設(shè)有插入地基的裙板，防止基礎(chǔ)底座沿海底滑動(dòng)。中國(guó)建成的勝利一號(hào)平臺(tái)即屬淺海坐底式平臺(tái)。樁腿升降機(jī)構(gòu)，有電動(dòng)液壓式和電動(dòng)齒輪齒條式。其外形與坐底式平臺(tái)相似，上部結(jié)構(gòu) 裝設(shè)全部鉆井機(jī)械、平臺(tái)操作設(shè)備以及物資儲(chǔ)備和生活設(shè)施、它是一個(gè)由頂板、底板、側(cè)壁和若干縱橫倉(cāng)壁組成的空間箱形結(jié)構(gòu)，水密性較高，能提供較大的浮力，作業(yè)時(shí)下潛體灌入壓艙水使其潛入水下一定深度，靠錨纜或動(dòng)力定位。當(dāng)平臺(tái)受到擾動(dòng)力時(shí)，纜索張力改變而產(chǎn)生彈性變形，因此，平臺(tái)只產(chǎn)生微量位移。 固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 10 固定式平臺(tái)整體穩(wěn)定性好，剛度較大，受季節(jié)和氣候的影響較小 ,抗風(fēng)暴的能力強(qiáng)。但仍處于研究試制的階段。到 1978年，鋼制導(dǎo)管架平臺(tái)的工作水深已達(dá)到 312米，而到 20 世紀(jì) 90 年代高度為 486米的巨型導(dǎo)管架平臺(tái)也已安裝在墨西哥灣 411 米水深的海域。 1962 年出現(xiàn)的第一座半潛式平臺(tái)一美國(guó)的“蘭水 1 號(hào)”是由一帶有穩(wěn)定立柱的坐底式平臺(tái)改建而成。張力腿平臺(tái)屬于柔性支承平臺(tái)，其定位靠柔性的張力腿。這些油田的開(kāi)發(fā)，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的作用。國(guó)際石油市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的情況下，在當(dāng)今值得認(rèn)真研究的 問(wèn)題，如何降低平臺(tái)造價(jià)以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)十分值得探討解決的問(wèn)題，而這一問(wèn)題的解決需要綜合運(yùn)用多種手段。一直以來(lái)，人們一直在探索如何有效的增加防護(hù)裝置來(lái)控制平臺(tái)的振動(dòng)幅度，做出了不少嘗試，也取得了一些效果。 對(duì)于深水海洋平臺(tái)，由于其固有頻率較低，本身就比較容易發(fā)生震動(dòng)，海浪，流水等很容易激發(fā)其振動(dòng)。 海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)是載荷、抗力和風(fēng)險(xiǎn)的安全保護(hù)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承擔(dān)的壓力比較突出。確定一個(gè)結(jié)構(gòu)物的固有頻率需要三個(gè)重要的量。amp。 下面求水中單位長(zhǎng)度的有效質(zhì)量 計(jì)算結(jié)構(gòu)物的只有質(zhì)量，應(yīng)考慮兩點(diǎn)重要的補(bǔ)充： 1. 與淹沒(méi)或部分淹沒(méi)的結(jié)構(gòu)元件一起運(yùn)動(dòng)的水所夾帶的質(zhì)量，這一質(zhì)量叫附加質(zhì)量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)在有它們這些形狀的計(jì)算公式。節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向決定系統(tǒng)自由度的數(shù)目。它不 能解析地計(jì)算出，必須借助于對(duì)比所提出的結(jié)構(gòu)物和實(shí)際結(jié)構(gòu)物的測(cè)量值來(lái)求得。 在所有沉沒(méi)于水中的結(jié)構(gòu)物中，增加了由水所產(chǎn)生 的阻尼。在發(fā)生區(qū)域的波浪 ,由于風(fēng)的當(dāng)?shù)匦?yīng)甚至更不規(guī)則。 4. 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。在表面質(zhì)點(diǎn)的速度決定于波浪周期和波高。 深水波的能量 ,一般是勢(shì)能 ,這是由于靜水位以上的波峰高度引起的 ,一般是動(dòng)能。其中任意一個(gè)都能獨(dú)立確定一個(gè)極限的風(fēng)浪尺度。風(fēng)和浪方向的變化引起更顯著的雜亂狀態(tài)。這時(shí)，譜寬度變窄， ??? ，如果涌的傳播只有一個(gè)主要波系，那么它們通常是長(zhǎng)峰波，波峰是與波浪運(yùn)動(dòng)方向成直角的相當(dāng)長(zhǎng)的連續(xù)線。 海洋中，波浪主要來(lái)自深水區(qū)，并且向水深漸減的岸坡傳播。因此，建設(shè)海洋工程結(jié)構(gòu)要想確保它的安全性，就必須考慮海洋結(jié) 構(gòu)的疲勞以及平臺(tái)自身的壽命。 其次， 靜力破壞與靜應(yīng)變力之間關(guān)系較明顯，當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生靜力破壞；但對(duì)于疲勞破壞來(lái)說(shuō)，交變應(yīng)力如果遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限時(shí)，疲勞破壞有可能發(fā)生，這主要是由于疲勞破壞的特征造成的。這樣，海洋平臺(tái)建設(shè)中，就必須考慮到建設(shè)過(guò)程中的焊接缺陷等原因，通常情況下，裂紋一開(kāi)始本身就存在了，這樣就使得裂紋的起始過(guò)程可以忽略。 Miner 的線性損傷理論如下： 1. 假設(shè)海洋平臺(tái)在受載過(guò)程中，每一次載荷循環(huán)中都需要消耗一定的有效壽命份數(shù)； 固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 18 2. 假設(shè)在應(yīng)力作用下疲勞損傷與試樣中所吸收的功成正比； 3. 海洋平臺(tái)每個(gè)試樣吸收的功與應(yīng)力的作用循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，就會(huì)達(dá)到破壞； 4. 假設(shè)海洋平臺(tái)的試樣達(dá)到破壞時(shí)的總損傷量是一個(gè)常量，那么他們之間就存在一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，并且應(yīng)力損傷與海洋平臺(tái)載荷作用的次序無(wú)關(guān)； 5. 在海洋平臺(tái)的各循環(huán)應(yīng)用產(chǎn)生的所有損 傷分量之和達(dá)到 1 時(shí)，海洋平臺(tái)試樣就會(huì)產(chǎn)生破壞。 疲勞損傷理論它是分析疲勞破壞的主要原理之一，這個(gè)理論也是估算變應(yīng)力幅值下安全疲勞壽命的關(guān)鍵理論。加上疲勞破壞的反復(fù)的變形， 那些裂紋將會(huì)不斷擴(kuò)展，疲勞破壞的擴(kuò)展過(guò)程 中，開(kāi)裂的兩個(gè)面將會(huì)面臨擠緊和松離的反復(fù)重復(fù)，這樣在不斷的摩擦過(guò)程中，就形成了光滑區(qū)。 面對(duì)海洋平臺(tái)疲勞破壞的分析，應(yīng)該根據(jù)材料力學(xué)去分析靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)確定材料的機(jī)械性能，通過(guò)對(duì)于靜力的分析，確定材料機(jī)械性能能否充分反映材料在西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 17 交變應(yīng)力作 用下的特性。而波浪的沖擊壓力可以增加防護(hù)板的附加拉應(yīng)力 ,因此，在防護(hù)板的板長(zhǎng)、板厚上必須選取適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度和厚度，不要超過(guò)素混凝土的抗拉強(qiáng)度。但是當(dāng)涌浪接近海岸時(shí)，又重現(xiàn)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的涌浪，并且由于它們具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)和中等的波高，使它們具有很大的能量，而在海濱區(qū)變成主要的波。如果它已固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 16 由長(zhǎng)風(fēng)時(shí)的強(qiáng)風(fēng)所產(chǎn)生，使它具有低的波陡，那么它的衰減率就低。在外海的波浪形狀比理論上所研究的理想化的波形更復(fù)雜。在靜水 傳播的有限數(shù)目的波列 ,似乎以單個(gè)速度的一半運(yùn)動(dòng) ,它們好象逐個(gè)地通過(guò)整個(gè)波列 ,這個(gè)單個(gè)波在波的后面形成 ,在前面的消失。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。深水中 ,水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)描繪出一個(gè)近似圓的軌道 ,但是沒(méi)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期 ,質(zhì)點(diǎn)向波浪前進(jìn)的方向稍微推移一點(diǎn)。那么就能從周期得到波長(zhǎng)和波速。 波浪的作用可作為隨機(jī)載荷的例子。這些測(cè)量值一般是適用于小振幅振動(dòng)，它表示一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)物所具有的最小值。 固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 14 對(duì)于構(gòu)成一個(gè)較大系統(tǒng)的任何均勻梁桿件，集中質(zhì)量最簡(jiǎn)單的方法是在兩個(gè)端點(diǎn)等分它的質(zhì)量。而這些點(diǎn)的選擇對(duì)以后的求解有深遠(yuǎn)的影響。需要注意的是這些附加質(zhì)量的水是在結(jié)構(gòu)物的外部，而且高于任何空心結(jié)構(gòu)內(nèi)的水位，結(jié)構(gòu)物外部的水明顯地隨結(jié)構(gòu)物一起運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)這些物理參數(shù)確定后，就可以用分析的方法來(lái)確定結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力反應(yīng)。 3. 結(jié)構(gòu)物的阻尼 這形成了在共振條件下振幅的主要控制因素，如果阻尼有足夠大，那么共振時(shí)放大較小，而動(dòng)力載荷將表現(xiàn)的不明顯。這種想法可以說(shuō)是非常好的，與以往的被動(dòng)的防護(hù)方法相比，這種方法是主動(dòng)積極的，計(jì)算過(guò)程和結(jié)果也表明，這種方法是相當(dāng)?shù)挠行У摹? 到目前為止，對(duì)于海洋平臺(tái)的防護(hù)減震的研究已經(jīng)取得了一定的成果，這種成果的進(jìn)步是十分可喜的。以渤海為例，渤海是海上油氣的一個(gè)重要的能源基地，因此在這里海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)就需要充分的考慮到海冰對(duì)其的副作用。這些外在的因素都會(huì)使海洋平臺(tái)的使用壽命下降，使用效率降低，可靠性和穩(wěn)定性也不能得到保證。 目前，我國(guó)海洋平臺(tái)的發(fā)展取得了一定的成績(jī)，在設(shè)計(jì)、施工以及理論研究上也取得了一定的發(fā)展。除了早期曾有平臺(tái)被冰推倒以外，這些平臺(tái)都己經(jīng)受了風(fēng)浪、地震以及特大冰情的考驗(yàn)。再次之后，世界各海域先后建造了約 22座重力式混凝土平臺(tái)。 1973 年到 1974年間，由于原油價(jià)格暴漲，適用于水 深小于 30 米淺水區(qū)的坐底式平臺(tái)需求大增，但到了 80 年代，這種平臺(tái)建造較少。 鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)于 1947年首次出現(xiàn)在墨西哥灣 6 米水深的海域，結(jié)束了木質(zhì)平臺(tái)時(shí)代。鋼筋混凝土重力式平臺(tái)是 70年代初開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種新型平臺(tái)結(jié)構(gòu)，目前主要用于 歐洲的北海油田。 拉索塔式平臺(tái)。 在深水海域中開(kāi)發(fā)石油時(shí)，坐底式鉆井平臺(tái)不能滿足要求；自升式平臺(tái)雖然使用水深較大，但不經(jīng)濟(jì)；浮動(dòng)式鉆井船可適用于較大水 深，然而受海況的影響，其開(kāi)工率很低；而半潛式平臺(tái)既可在很深的海域工作，又較能適應(yīng)惡劣的海況，有良好的運(yùn)動(dòng)特性。把鉆井設(shè)備安裝在船體上，靠錨系或動(dòng)力定位，在漂浮的狀態(tài)下鉆井。轉(zhuǎn)移時(shí)，把樁腿拔起，駁船式船體下降浮于水面，即可拖運(yùn)到另一地點(diǎn)。后來(lái)隨著海洋石油鉆探水深的不斷增加 ,鉆井駁船進(jìn)一步發(fā)展成坐底式平臺(tái) ,它由沉墊、立柱和平臺(tái)甲板三部分組成 ,適用于水深為 5～ 30米而且海底比較平坦的場(chǎng)合。最后把立柱與平臺(tái)甲板牢固地連在一起，形成平臺(tái)。也屬于分離式基礎(chǔ)型 ,由鋼塔和鋼浮筒組成，浮筒也兼作儲(chǔ)油罐。 2. 重力式平臺(tái) 鋼筋混凝土重力式平臺(tái)。這種平臺(tái)施工時(shí)一般先在陸地上預(yù)制導(dǎo)管架 ,再用駁船拖運(yùn)就位進(jìn)行安裝 ,通過(guò)調(diào)節(jié)壓艙水使駁船傾斜，然后用卷?yè)P(yáng)機(jī)將導(dǎo)管架送入水中，由其自身浮力懸浮在水中，再向?qū)Ч芗芰⒅鶅?nèi)灌水，同時(shí)用起重船把導(dǎo)管架豎立就位于海底井址，再將樁逐段連續(xù)打入海底土層固定。對(duì)深海平臺(tái)，還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析。上部結(jié)構(gòu)一般由上下層平臺(tái)甲板和層間桁架或立柱構(gòu)成。海洋平臺(tái)為在海上進(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物。 海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)投資 巨大，面對(duì)海洋惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，它必須面臨很多危險(xiǎn)，一旦海洋平臺(tái)發(fā)生事故，就會(huì)給整個(gè)人類社會(huì)帶來(lái)巨大的損失和災(zāi)難。 要明白海洋平臺(tái)，首先需要明白海洋工程。 研究的方法 本文擬采取的研究方法： 理論研究與實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方法。 本文的研究就是希望通過(guò)自己的機(jī)械專業(yè)所學(xué)的知識(shí)，結(jié)合力學(xué)、機(jī)械學(xué)、海洋學(xué)等知識(shí)，涉及構(gòu)建一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的安全防護(hù)系統(tǒng)，提高海洋防護(hù)系統(tǒng)的安全性，為我國(guó)的海洋防護(hù)增加一份力量，同時(shí)也對(duì)我國(guó)海洋安全生產(chǎn)研究具有及其重大的意義與作用。海洋平臺(tái)一旦遭到破壞，就會(huì)帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，因此，海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)，必須保證其在服役期內(nèi)的安全性。 筆者認(rèn)為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，面對(duì)現(xiàn)有的海洋平臺(tái)，我們應(yīng)該進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠安全耐用的安全防護(hù)方案是十分必要的，這樣還可以推動(dòng)海洋平臺(tái)結(jié)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，為海洋平臺(tái)防御的安全提供一個(gè)科學(xué)可靠的保證。 朱啟憲（ 1991）在他的研究中從實(shí)用的觀點(diǎn)敘述了有關(guān)海洋平臺(tái)可靠性設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題和采用可靠性安全系數(shù)法的主要步驟。 竺艷蓉（ 1991）在對(duì)于 海洋平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)探究中指出波浪載荷與波浪理論有著密切相關(guān)性，在實(shí)際研究中，常用的波浪理論有線性理論、坦谷波理論和橢圓余弦波理論，對(duì)于海洋防護(hù)工程的研究，主要是利用 stokes 擴(kuò)展的有限波幅理論。 對(duì)于疲勞問(wèn)題的研究，在上個(gè)世紀(jì) 60年代就引起了很多學(xué)者的關(guān)注，為此，世界各國(guó)海洋平臺(tái)建立了各自的疲勞強(qiáng)度校核方法與應(yīng)力范圍標(biāo)準(zhǔn)。要想開(kāi)發(fā)海洋平臺(tái)的有效的控制理論和系統(tǒng)，就必須去充分了解海洋環(huán)境激振載荷的動(dòng)力特征以及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性。同時(shí)，海洋環(huán)境變化無(wú)常，造成了海洋荷載變化隨機(jī)。 CII 平臺(tái)的振動(dòng)問(wèn)題成為中國(guó)石油化工總公司的十大生產(chǎn)安全隱患之首。大西洋的多金屬結(jié)核分布區(qū)主要有：布來(lái)克海臺(tái)、克爾文海山區(qū)、佛羅里達(dá)以東紅粘土區(qū)、大西洋中脊區(qū)、開(kāi)普海盆、厄加勒斯海臺(tái)、南美海盆、南美東部沿海。其中，多金屬結(jié)核資源勘探程度最高，也最為國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。法國(guó)石油研究所 20世紀(jì) 80年代初期估計(jì)，世界石油資源極限 儲(chǔ)量 10000億噸，可采儲(chǔ)量 3000億噸，其中海底石油可采儲(chǔ)量 1350 億噸，美國(guó)專家 ，世界石油可采儲(chǔ)量 3150億噸，其中海底石油 1100 億噸。 third method is a bination of the above two, or integrated with other methods used reinforcement, this method is relatively safe, but higher cost. In this paper, the protection of offshore platforms, in bination with currently available research, presented their model of offshore platform protection. Analysis of offshore platforms by some of the basic physical properties, the use of mathematical methods for modeling and analysis. Depending on the size of wave force, the hydraulic system by regulating the protection of the throttle body area the size of the control plat