振动南极冰架或将坍塌

基于自激冰力的导管架平台冰激振动计算马网扣1)唐友刚1)宋峥嵘2)1)天津大学建筑工程学院,天津,300072;2)中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津塘沽,300452摘要考虑海冰的自激性质,根据冰力的抗压强度与加载速率之间的关系曲线以及结构振动与冰流速之间的相对运动关系,确定海冰的自激冰力,计算高40m导管架平台的冰激振动响应;提供平台自激振动的一种分析方法,可用于导管架平台的冰激振动预报.
关键词自激振动冰力模型矩阵有限元3徐继祖,李桐魁,等.
渤海结构物海冰设计标准研究.
1986对于海冰引起的平台振动,存在2种不同的理论:强迫振动理论和自激振动理论(即Maattanen模型)[1~2].
强迫振动理论认为,海冰具有激励周期和频谱特性,冰力的大小和变化与结构无关;自激振动理论认为,冰力本身没有确定的周期,它仅提供振动消化的能量[1~2].
定义冰力是加载速率的函数,冰力与加载速率的关系可通过冰排的本构关系和几何关系转变为"冰力是结构速度的函数".
在加载速率与抗压强度曲线上的过渡段(负坡度段)冰力表现为负阻尼性质,因此结构振动表现为自激振动.
因为冰排损伤区尺度与结构振动幅度为相同量级,所以冰与结构之间存在相互作用是必然的,而且自激振动模型可以反映冰与结构的相互作用.
目前,按照不同的方法计算冰力的结果具有较大的差异[1~5]3.
对于与冰进行强相互作用的柔性结构,目前所用的冰力设计标准和计算方法值得商榷,因此,进一步研究冰荷载及其引起的振动响应,是目前海洋结构设计的关键课题.
本文根据冰力的自激理论,提出了导管架平台在海冰作用下自激振动响应的计算方法,并将计算结果与其他方法的结果进行了比较.
1导管架平台自激振动计算模型为减小响应计算的工作量,在形成结构质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵时,做如下近似处理:1)不考虑结构单元的轴向变形、剪切变形和转动惯量;2)不计节点的侧向位移和扭转;3)假设平台两侧结构节点位移相等;4)平台在海底处刚性固定.
据此假设导管架平台可简化成垂直悬臂梁上具有一系列质点的力学模型(图1).
图1导管架平台及计算模型考虑图1中所示的导管架平台,底部轮廓面积为20m*20m,平台高40m,所处海域水深为25m,主导管外径122cm,管壁厚4cm.
根据有限元方法,建立各个单元的刚度矩阵和一致质量矩阵[4];根据瑞雷阻尼模型,计算阻尼系数矩阵.
求得总体刚度矩阵和质量矩阵后,进行约束处理,消去与海底约束和转角对应的行和列.
根据近似处理3)所述,得到经约束处理后的刚度矩阵K和质量矩第15卷第5期中国海上油气(工程)Vol115,No152003年10月CHINAOFFSHOREOILANDGAS(ENGINEERING)Oct.
,2003http://www.
paper.
edu.
cn阵M.
K=171607216980216981014822154202154251086*109(N/m),M=291000-1510600-151060211317-313040-3130431818*106(kg).
该质量矩阵中包括了附连水质量和平台上的设备质量.
根据刚度矩阵和质量矩阵,可以求得平台的前3阶固有频率为f1=1161Hz,f2=4197Hz,f3=1311Hz.
考虑瑞雷阻尼,取阻尼矩阵C=αM+βK.
(1)式中:α、β为常数,其与振型阻尼比和固有频率有关;取前2阶振型阻尼比ξ1=0102,ξ2=0104;根据文献[4],得α=011592,β=010001,于是得阻尼系数矩阵C=51125-211430-2114341441-012560-0125621368*106(N·s·m-1).
2自激冰力计算211自激振动发生的条件根据海冰的自激振动理论,冰力作用下多自由度系统的运动方程可以表示为M¨x+Cx+Kx=-Φx.
(2)式中:Φ为冰阻尼系数矩阵,只有在冰力作用处矩阵的对角元素为非零值,其对角元素为[2]Φii=dFidvrvr=v0,式中:Fi为冰力向量;vr为冰与结构的相对运动速度,即vr=v0-x,v0为常量冰速,x为结构振动速度;Φii的单位为N·s·m-1.
根据弹性理论,冰对圆柱体作用时,冰与圆柱体接触面的冰应力速率为[2]σ=8vrπdkmdhσcIdh.
(3)式中:σ为冰应力的变化速率;σc为海冰的单轴抗压强度;d和h分别为柱径和冰厚;k为冰排与桩柱接触时,沿接触面积密合程度的接触条件系数,本文取0.
35;m为形状系数,本文取0.
9;I为海冰压入系数,I=5(h/d)+1,它考虑了海冰三维应力状态对σc的修正[1,2].
将式(3)对vr求导,得dσdvr=8πdIkmσc1-8πdvrIkmdσcdσ-1,于是冰的阻尼系数表示为Φii=dFdvr=dFdσdσdvr=Ikmdhσc·dσcdσπd81Ikm-vrdσcdσ-1,dσc/dσ即是冰的单轴抗压强度与加载速率关系曲线的斜率.
实验表明,在dσc/dσ曲线上存在负斜率段,此段内冰力具有自激性质[2].
对式(2)进行模态变换,得M3¨y+C3y+K3y=-uTuy,式中:u为模态矩阵;y为模态坐标;M3、C3、K3分别为广义质量矩阵、广义阻尼矩阵和广义刚度矩阵.
第i阶模态的运动方程为M3i¨yi+C3iyi+K3iyi=-∑nk=1Φkkuki∑nj=1ukjyi.
(4)式中:M3i、C3i、K3i分别为第i阶模态的模态质量、模态阻尼和模态刚度;n为模态总数.
将式(4)中含有主坐标yi的项合并,注意到C3i=2ζiωiMi,并且产生自激的条件是系统出现负阻尼,得到第i阶模态产生自激振动的条件为ζ<∑nk=1Φiiu2ki2ωiM3i.
式中:ζi为平台结构系统第i阶阻尼比;ωi为第i阶模态的圆频率.
实际上,系统中只要有1个或多个模态符合上述条件,平台振动即发生自激振动响应[2].
这里的讨论表明,海冰在与结构撞击和挤压的不同阶段,或者说在脆性阶段、弹塑性阶段及塑性阶段,冰与结构的相互作用分别表现为强迫振动及自激振动,或者二者共存.
212冰力求解本文中的冰单轴抗压强度与加载速率曲线采用我国渤海海冰试验确定的σc—σ关系,即logσc=-01036(logσ)3-01226(logσ)2+1123(-3≤logσ≤0),01241(logσ)3-01505(logσ)2+1123(0≤logσ≤114).
式中:σc的单位为kg·cm-2;σ的单位为kg·(cm2·s)-1,如图2所示.
为了计算简便,可将该曲线分段线性化,如图3所示,并表达为71第15卷第5期马网扣等:基于自激冰力的导管架平台冰激振动计算σcj=αj+βjσj.
(5)式中:αj、βj分别为第j段直线的垂距和斜率,其中σ1=0001,σ2=05,σ3=75,σ4=180;σc1=1147,σc2=162,σc3=96,σc4=80.
图2渤海海冰单轴抗压强度与加载速率关系图3σc~σ曲线的直线分段考虑图3中j段折线,由式(3)并引入结构与冰的相对速度得x=v0-πd8Ikmσjσcj.
(6)由式(6)可预定出各分段之间的交点(σcj,σj)处的值,然后将它与每次计算得到的x值比较,即可判定是在抗压强度与加载速率曲线哪一个分段,由此即可计算x值,并按下式计算σjσj=αjπdπd8km(v0-x)I-βj.
(7)与式(7)对应的σcj按式(5)求出,则任意时刻的冰力为[1~2]F=kmdhσcjI.
(8)由式(8)可知,因为冰力计算需要先求出结构位移响应,而后计算加载速率,所以需要迭代计算求响应.
影响计算精度的是图2所示曲线,而图2是由渤海石油公司提供的[2].
考虑前排主导管对后排主导管的遮蔽效应,后排桩上的冰力应按前排桩冰力的0.
75考虑.
3动力响应数值计算方法因为本例简化为3个自由度,可直接求解冰激振动方程M¨x+Cx+Mx=F.
将上式写为状态方程[4]X=AX+BP(t),(9)式中:X={x1,x2,…,xn,x1,x2,…,xn}T2n*1;P(t)=F(t)n*1;A=0I-M-1K-M-1C2n*2n,B=0M-12n*n.
4计算实例据上述方法编制计算程序,计算得到自激海冰作用下本例平台的振动响应结果.
海冰物理参数为:冰厚60cm,冰流速40cm·s-1,接触条件系数k=0135.
图4给出冰厚60cm、冰流速40cm·s-1时的单桩自激冰力值随时间的变化规律;图5~7绘出了不同甲板的位移响应和加速度响应.
图4单个主导管自激冰力值图5平台顶层甲板的位移响应从图4看出,自激冰力的频率包括了结构的基频及基频的2倍频率,结构在自激冰力作用下处于共振状态;因此,较小的冰力作用可能导致大的动力响应,这也表明了考虑冰力自激性质研究平台振动81中国海上油气(工程)2003年图6冰力作用处甲板(第2层甲板)的位移响应图7第2层甲板的加速度响应响应的意义.
为了说明本文方法的可行性,将其计算结果与其他文献的计算结果进行了比较.
由于现场实测资料很难得到,比较的基础是其他文献的计算结果.
文献[1]给出的主导管直径D=1.
0m,冰厚h=0.
4m,冰流速v=0108m·s-1;文献[1]还给出了海冰作用处的动位移,根据文献[3]规范中的公式计算冰力,所得结果列于表1.
表1不同方法计算结果的比较方法位移/mm冰力/kN本文方法6.
9650文献[1]方法4.
9文献[3]方法739从表1看出,由于本文冰力是按照图2负曲率段给出的,冰力小于规范值是可以理解的;由于本文冰力和冰流速都大于文献[1]算例,动位移较大也在意料之中.
目前尚未看到他人计算过与本例相同的平台.
由于各单位的现场实测资料均不公开,无法与实测结果比较,但表1定性表明了本文方法的可行性和可靠性.
要采用自激冰力计算冰激振动,必须提供更准确的海冰单轴抗压强度与加载速率关系曲线.
5结论1)自激冰力模型的冰力值是关于结构与冰相对运动速度的函数,冰力呈锯齿形分布.
自激冰力的频率结构,取决于结构的响应和冰与结构的接触状态;而强迫振动冰力随时间简谐变化,显然自激冰力与强迫冰力的变化完全不同.
2)结构发生冰自激振动的条件是冰力提供的负阻尼值大于结构自身固有阻尼值.
结构桩腿直径越小越容易发生自激振动;冰层越厚越容易发生自激振动;柔性结构比刚性结构容易发生自激振动.
3)自激冰力为高频激振力,高频激振力包括所激发的结构模态频率及其倍频分量.
4)自激振动计算结果的准确程度,取决于加载速率与冰的抗压强度;而目前提供的加载速率与冰的抗压强度曲线数据一般较为分散,影响了计算精度,这是需要加强实验研究的问题.
5)自激振动出现在图2中曲线的负曲率段,冰力不一定为最大值,但由于冰力与结构发生共振,平台仍然在高水平上维持振动,因而更容易导致平台破坏.
6)平台结构在海冰作用下的自激振动现象,在国外的实验中早已经发现[6],但研究工作目前并不深入.
我们应该加强海冰自激振动引起的平台破坏方面的研究工作.
参考文献[1]欧进萍,段忠东,等.
海冰作用下平台结构自激振动的参数分析与响应的数值计算.
工程力学,2001,18(5):8~174[2]徐继祖,李维扬,汪克让,等.
海洋工程结构动力分析.
天津:天津大学出版社,1992[3]中华人民共和国船舶检验局.
海上固定平台入级与建造规范,1992[4]唐友刚.
高等结构动力学.
天津:天津大学出版社,2002[5]马网扣.
导管架平台的冰激振动响应及其控制研究.
[学位论文].
天津:天津大学,2003[6]MaatteanenM.
StabilityofSelf-ExcitedIce-InducedStructuralVibration.
4thInternationalConferenceonPortandOceanEngi2neeringUnderArcticConditions,Newfoundland,1977:688~694(收稿日期:2002-12-30;编辑:张金棣)91第15卷第5期马网扣等:基于自激冰力的导管架平台冰激振动计算CHINAOFFSHOREOIL&GASOct.
,2003ENGINEERING(Bimonthly)Vol.
15No.
5SponsorCNOOCResearchCenterPublisherCHINAOFFSHOREOIL&GAS(Engineering)EditorialDepartmentAddressGuobinBuilding,21,JiuxianqiaoRd,Beijing,ChinaPostCode100016ISSN1001-7682,CODENZHYGEQCONTENTS·DESIGNANDCONSTRUCTION·OptimizedScheduleforEngineeringDevelopmentintheDF1-1GasFieldChenShengsen(1)……………Abstract:Accordingtomarketplans,developmentschedulesaswellasdrillinganddevelopmentengineering,thenewtech2niques,methodsandideaswereappliedindevelopingtheDF1-1gasfield.
Comparingwiththemultipleplans,theoptimizedsched2ulewasmade.
Theschedulewouldbefitfordifferentworkingconditions,sothatabout40millionUSDollarswascutdownforthedevelopingengineering.
Thegoodresultsnotonlymadethegaspriceequitableforconsumers,butalsomadeeconomicbenefitsforthegasdevelopment.
KeyWords:gasfielddevelopmentengineering,optimizedschedules,marketplan,wellheadplatformFlowProcessMethodAppliedintheFabricationofBZ25-1B/D/EJacketsinBohaiSeaRaoShicai(5)Abstract:Flowprocessisveryeffectivemethodinorganizingproductionfromtheexperienceofindustryproductionmanage2ment,andithasbeenusedtodirecttheconstructionofcivilengineering.
Thearticledescribesthesuccessfulapplicationofflowpro2cessmethodinthefabricationprocessofBZ25-1B/D/Ejacketsandshowsthatflowprocessmethodisalsosuitableforthefabrica2tionofoffshoreoilengineering.
Itwillbringamoreeffectiveresultinshorteningprojectschedule,reducingprojectcostandimprovingtheuseofmachine.
KeyWords:offshoreoilengineering,constructionorganization,flowprocessmethod,effectiveresultKeyProblemsAbouttheInterfacesinFPSOProjectDouHongbo(8)Abstract:TherearemanyinterfacesneededtopayattentionduringconstructionofFPSO,itisveryimportanttomakethesein2terfacesbeingconnectedsafely,properlyandeffectively.
Fromtheprojectmanagementpointofview,thepaperdiscussesabout4typicalandcriticalstructuralinterfaces,suchasSPM&vessel,processmodules&vessel,deckcranes&vessel,andpowermodule&vessel,thereforetheQHD32-6FPSOprojectswillbeusedasandexample.
Thediscussionwouldbehelpfulandvaluableformanagementofotherprojectsinthefuture.
KeyWords:FPSO,construction,interface,connectedconstruction·RESEARCH·TheHydrodynamicCoefficientsResearchonLargeDerrickBargeShipsWangXueliang,DongYanqiu,ZhangYanfang(12)Abstract:Withthedevelopmentoftheoceanengineering,derrickbargeshipsbecomelargerandlarger.
Thederrickbargeships'B/Tisgreaterthanthegeneralships'B/T.
Basedonthederrickbargeship'scharacterofultra2shallowdraft,thispapercal2culatesthehydrodynamiccoefficientforeverydegreeoffreedomontheconditionofthegeneraloceanenvironment.
Allofthesestudy2ingareveryimportanttoanalyzethehydrodynamiccoefficientofthederrickbargeshipforestimatingitsmovementandsecurity.
KeyWords:ultra2shallowdraftderrickbarge,addedmasscoefficient,dampingcoefficientCalculationofVibrationResponseExcitedbyIceBasedontheSelf2ExcitedforJacketPlatformMaWangkou,TangYougang,SongZhengrong(16)Abstract:Theself2excitediceforceisdetermined,basedontherelationcurvebetweenanti2compressstrengthandloadingveloci2tyaswellastherelativemotionbetweenicemotionandstructuralvibrationconsideringtheself2excitedpropertyofice.
Thevibrationresponsesself2excitedbyiceofheight40m2jacketplatformarecalculated.
Theanalysismethodforvibrationresponseself2excitedbyiceispresented,itcanbeemployedinthepredictionofvibrationexcitedbyicejacketplatform.
KeyWords:jacketplatform,vibrationexcitedbyice,self2excitedtheoryDevelopmentoftheTechnologicalCalculationSimulatorforTwo2PhaseFlowinGas2LiquidHybridPipelineLiuWu,ZhangPeng,LiMin,ChengFujuan(20)Abstract:Accordingtothebasicruleoffluidmechanicsandincombinationwiththelatestdomesticandforeignresearchresultsoftwo2phaseflowtheoreticallyandexperimentally,anewsimulatorTFTCShasbeensuccessfullydeveloped,whichcoversthehy2draulicscalculation,thermodynamiccalculationandflowregimeprediction.
TheTFTCScanbeusedfortechnologycalculationsintheoil/associatedgasorcondensategastransmissionpipelineofoffshore,desertandhillyzone.
Thesoftware'sstructures,functionsandrangesofapplicationarepresentedinthispaper,andsimulativecalculationismadeonsubmarinewetgaspipelineofJZ20-2oilfieldwithTFTCS.
TheresultsareexaminedbycomparingwithproducingdataofJZ20-2oilfieldorthroughacomparisoncalculationwiththesamekindsoftwarePIPHASEoverseas.
TheexampleanalysisshowsthattheTFTCS,beingeasytouseandhavingreliablecalculationresults,cansatisfytheneedofoil2gashybridpipelineengineeringdesigncalculationandoperationmanagement.
KeyWords:two2phaseflow,technologycalculation,programdesign,simulatorApplicationofGasChromatographyInstrumentintheOffshoreGasFieldWangQiang,JinDexian,WangMin(23)Abstract:Gaschromatographiswidelyusedtomeasurethegascomponentsofthenaturalgas.
ThereareC1,C2,C3,C4,C5,C6,CO2andN2.
Thispapershowshowthecomponentsaremeasuredbygaschromatograph,basedontheexperienceofDongfanggasfielddevelopmentproject.
KeyWords:gaschromatography,chromatographiccolumn,plungervalve,heatconductormonitorEffecttothePlatformStructureDesignbytheSoilsInvestigationGuoWei,WangJunqin(26)……………Abstract:Bydescriptionofthecontentincludedinthesoilsinvestigationandsitesurvey,thepaperanalysistheeffectofsoilsin2vestigationandsitesurveytotheplatformstructuredesignthroughtheoilfieldsdevelopmentsinBohaibay.
KeyWords:soilsinvestigation,sitesurvey,hydrographicsurvey,platformstructuredesign,soilliquefaction,piledesign·DRILLINGANDPRODUCTION·TheoryandMethodofRationalWorkingSystemDesignDuringHTHPTestingofGasWellLiXiangfang,SuiXiuxiang,TangDezhao,ZhongHua,WeiHaiming,ChenYan(30)……………Abstract:Thedeficiencyoftraditionaldesigntheoryinworkingsystemisanalyzed;theparametercharactersinformation,wellboreandearthsurfacearestudied.
Andtherelationbetweenoilpressureatwellheadandproducingpressuredifferentialatbottomholeisanalyzed,too.
Thispaperpointsoutthatworkingsystemduringtestingshouldbedeterminedaccordingtorationalproducingpressuredifferential.
Asaresult,theformationparameterscanbeeffectivelygainedanddeformationdamageandsandproductionofformationcanbeavoidedintimeoflargerproducingpressuredifferentialofgaswellduringHTHPtesting.
ThetheoryandmethodofworkingsystemdesignduringHTHPtestingofgaswellareprovidedinthepaper.
KeyWords:gaswellatHTHP,testing,workingsystemApplicationofHorizontalWellDuringtheTailDevelopmentofLinpanOilfieldWangXindong,JiangHaijun,LingMingyou,LiSanqi,ZhangBangjun,HeXinhua,ZhouLijun(33)Abstract:Aimthedevelopmentcharacterofthedifferentpetroleumreservoirandtherulesoftheremainingoil,basedonthestudyofconstructionandreservoirrockandtheruleofdisplacementofoilbywater,thepaperintroducesthetechnologypreponder2anceofhorizontalwellduringthelaterperiodofthereservoirdevelopment.
Theresultshowsthatthetechnologyofhorizontalwellcanimprovetheproductivityandthedevelopmenteffectofthereservoir.
KeyWords:horizontalwellhighwatercut,bottomwaterreservoir,unitofflowage,antitheticridgeAnalysisofSub2SeaPipeHighPressureCausedbyHighViscosityOilintheTransportationProcessLiuGuangcheng,LiuLifeng(37)Abstract:Sub2seapipelinetransportationisthemostcommonmethodusedinoffshoreoilexploitation.
Incaseofthehighpres2sureencounteredinthetransportationforreferringtothevirtualconditionofSZ36-1field,wetakeconsiderationofmaininfluenc2ingfactors,suchastheviscosity,temperatureandwatercontenttoprobetherelevantresolutions.