摘 要

石油和天然气资源是世界能源的主要支柱。随着世界对油气资源的需求日益增长，仅仅依靠陆地油气资源已难以满足需求。这使得海洋油气资源开发开始在世界兴起并迅猛发展。导管架平台作为海洋油气开发中的主要工程结构，其安全性能对其周遭海洋生态环境和油气开发有着重要影响。尽管管理水平与技术水平在不断提升，导管架平台上的意外事故仍时有发生，其中由于下落物体坠落引发的事故占到了不小的比重。对导管架平台上物体坠落事故进行研究，对平台结构的设计、检测、维修、加固和结构安全度的评估都有重大意义。

本文以南海海域某X型导管架平台为研究对象，利用 ANSYS 有限元软件建立了导管架平台的数值模型，采用隐式时间积分法对落物在甲板不同位置的冲击问题进行了瞬态动力学及材料的非线性分析，分析了落物坠落时甲板最危险冲击位置，以及在最危险坠落点时甲板厚度与甲板的塑形变形之间的关系。同时对比分析了在不同加强筋尺寸以及甲板材料情况下甲板的塑形变形情况,对导管架平台抗冲击性能设计提供了一定的参考。

全文分为5个章节。第一章是绪论，主要介绍本文的目的和意义，以及国内外对导管架平台意外事故的研究现状。第二章主要对冲击数值仿真的基本理论进行了介绍。第三章介绍了建造导管架平台数值模型的相关理论知识，以及建造过程。第四章介绍了落物坠落在甲板上这一冲击问题相关计算参数的选取以及不同冲击情况下的计算结果。第五章是总结与展望，总体概括了本文的研究内容，并对落物坠落冲击甲板这一问题进行展望。

关键词：导管架平台；数值模拟；冲击；动力学分析

Abstract

Oil and natural gas resources are the mainstay of world energy.With the increasing demand for oil and gas resources in the world, it is difficult to meet the demand simply relying on terrestrial oil and gas resources.And the development of offshore oil and gas resources began to rise and develop rapidly in the world.Jacket platform is the main engineering structure in exploiting marine oil and gas.Its safety performance has an important influence on its surrounding marine ecological environment and exploiting marine oil and gas.Despite the continuous improvement of management and technical level, accidents on jacket platforms still occur.The accidents caused by dropped objects accounted for a large proportion.The study of dropped objects on the jacket platform is of great significance to the design, inspection, maintenance, reinforcement and structural safety assessment of the platform structure.

This paper takes a X jacket platform in the South China Sea as the research object.It uses ANSYS finite element software to build jacket platform numerical model.In addition, the implicit time integration method is used to analyze the transient dynamics of dropped objects on different deck positions and different thickness of deck. It uses the implicit time integral method to analyze the transient dynamics and nonlinear analysis of the impact of the falling objects on deck and the deck with different thickness. The analysis of the most dangerous impact position of the deck and the relationship between the deck thickness and the plastic deformation of the deck at the most dangerous falling points is analyzed.At the same time, the deformation and deformation of the deck under the conditions of different reinforcement size and deck material are compared and analyzed, which provides some reference for the design of the impact resistance of the jacket platform.

The paper is divided into 5 chapters.The first chapter is the introduction.It mainly introduces the purpose and significance of this paper, and the current research situation of jacket platform accidents at home and abroad.The second chapter mainly introduces the basic theory of impact numerical simulation.The third chapter introduces the theoretical knowledge of building the jacket platform numerical model, and the construction process. The fourth chapter introduced the selection of relevant calculation parameters for the impact problem of dropped objects on the deck and the calculation results under different impact conditions.The fifth chapter is a summary and prospect.It generalizes the research contents of this paper, and prospects the problem of dropped objects falling into the deck.

Keyword：jacket platform；numerical simulation；impact；kinetics analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2导管架平台结构特征 3

1.2.1 X型导管架平台结构特征 4

1.3 海洋平台结构在偶然性灾害作用下的研究现状 4

1.4 本文的主要工作 5

第2章 冲击数值仿真的基本理论 7

2.1瞬态动力学分析 7

2.2隐式求解法 7

2.2.1 隐式求解法理论基础 7

2.2.2 隐式求解法分析方法 8

第3章 海洋平台数值模型的建立 10

3.1建模理论基础 10

3.1.1 有限元基本思想 10

3.1.2 计算机求解方法 10

3.2 数值模型的建立 11

3.2.1 几何模型简介 11

3.2.2 单元选择 11

3.2.3有限元模型的建立 12

3.3等效桩法 13

3.4材料的弹塑性模型 14

3.4.1弹性模型 14

3.4.2塑性模型 14

第4章 落物-导管架平台撞击仿真分析 16

4.1下落物体重量及撞击区域和甲板厚度 16

4.1.1 下落物体的重量 16

4.1.2 下落物体的撞击区域 16

4.1.3甲板厚度 17

4.2 边界条件与环境荷载 17

4.3 冲击过程的模拟 17

4.4 计算结果及分析 18

4.4.1 不同冲击位置下甲板的变形与受力情况分析 18

4.4.2最危险冲击位置下甲板板厚对残余变形的影响 21

4.4.3最危险冲击位置下甲板加强筋尺寸对残余变形的影响 24

4.4.4最危险冲击位置下不同材料对残余变形的影响 26

第5章 总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

随着科学技术的进步与发展，石油与天然气已逐渐成为全球经济的重要驱动力，是现代社会正常运行的重要支柱。根据《2017年全球油气行业发展概况及未来发展趋势分析》，2015 年，石油和天然气合计占全球能源消费总量的 56.7%；全球石油消费增长 190 万桶/日，并显著高于 2014 年 110 万桶/日的增长。石油仍是世界上的主要能源。而根据《BP2016 年世界能源展望》报告，天然气是当今增长最快的化石能源（年均 1.8%），其在一次能源中的份额将逐渐增加，并在 2035 年取代煤炭成为第二大燃料。石油和天然气在人类生产和生活中发挥着极其重要的作用。

尽管人类对能源的需求在不断增加，但陆地上油气资源却日渐沽竭。一方面，经过多年的开采，陆地多数主要油田已进入开发中后期。国际能源署详细分析了800个陆地油田的历史产量。结果表明,世界各主要地区的石油产量总体下降速度可能会长期显著增加。另一方面，近年来新增的常规油气田数量渐渐减少，规模也越来越小，振奋人心的重大油气田发现几乎已成绝响。陆上油气勘探开发难度正在逐步增大。鉴于陆上油气资源形势严峻，海洋油气资源的开发利用越来越受到各国的重视。

海洋，被誉为“蓝色国土”，占地球面积的百分之七十一，蕴藏着数不胜数的石油、天然气和天然气水合物等资源。据统计，全球海洋石油资源量约1350亿吨，已探明储量仅占约28%；海洋天然气资源量约140万亿立方米，已探明储量仅占约29%。海洋油气资源储量丰富，潜力巨大。

21世纪以来，海洋资源在全球经济中所占的位置越来越重要。其中，海洋油气资源勘探开发业异军突起，迅速成长为海洋经济的支柱产业，海上生产占到了越来越大的比重。据统计，2009年海洋石油产量已经占世界石油总产量的33%，预计到2020年这个比例将会上升到35%。2009年海洋天然气产量占世界天然气总产量的31%，预计2020年，这个比例会增加到41%。由此可见，海洋油气资源的勘探开发已经成为世界油气开采的重点领域。

海洋资源开发是一个投资大、技术含量高和风险较大的产业。海洋平台作为海上钻井、采油、采集、观测、导航、施工等生产和生活设施，是海上油气勘探开发的关键设备。随着海洋油气资源的大规模发展，世界各海域已建成6000多种不同类型的海上平台，其中绝大多数是导管架平台。

海洋平台虽然建造成本高昂，但长期处于复杂、恶劣的工作环境中，受到多种环境载荷的影响，包括波浪力、水流力、风荷载、冰荷载、地震荷载等。除去正常的自然荷载外，船舶与海洋平台的撞击、坠落物体的碰撞、爆炸和火灾等意外事故亦时有发生。下表1.1列出了近年来部分严重的海洋平台事故。

表1.1 海洋平台事故

由于生产及生活空间有限，海洋平台上各种设施相对集中，海洋平台上发生事故后易发生连锁反应，造成重大事故。在茫茫大海中面积很有限的钻井平台上，恶性事故发生时人员难以疏散，带来的经济损失也将难以估量。原油或天然气遇到无法预料的意外泄漏或更严重的井喷，只要一个小火星，在一瞬间，就会导致灾难性爆炸或火灾，对海洋周边环境和海洋生态造成严重的影响。海洋平台的安全值得工程师们的重视。

事实上，因为超载起升、操作不当等原因，在进行起吊作业时，海洋平台上物体坠落事故时有发生。下落物体的危险主要是由起重机上落下的重物引起的。Tebbett I E在《最近五年钢质平台的修理经验》^[1]一文中，对世界上100起需要修的海上平台损伤原因进行了分析。其中由于落物所引起的损伤占到了9%。尽管平台管理和生产操作水平在不断提高，使得重物掉落造成的意外事故呈现下降趋势，但这种现象很难根除。1992年中海油“渤海6号”平台渤海6号平台因重物坠落击穿了压载箱，面积达数平方米^[2]。作为一种偶然载荷，物体坠落对海洋平台结构以及人员的安全都会产生非常大的影响。

不论是从安全方面、经济方面，还是从环境保护的角度上看，对海洋平台上物体坠落事故的研究都有重大意义。对这类事故的研究有助于工程师正确评估坠落物体对平台结构的影响，可以给平台结构的设计、维护、加固和结构安全评估提供参考。

本文以南海某X型导管架平台为例，建立了导管架平台的数值模型，模拟了重物冲击甲板的过程，研究了重物坠落冲击时导管架平台结构残余变形情况，计算了几种典型坠落位置下甲板的残余变形情况，然后进行了比较，分析出了重物坠落时甲板最危险的位置，并且分别计算分析了在最危险坠落点时甲板厚度、甲板加强筋尺寸、甲板材料与甲板的塑形变性之间的关系。

1.2导管架平台结构特征

开发和利用海洋资源，必须在海上建立和安装一系列工程结构。所谓海洋工程结构，是为海洋开发而建造的结构物的总称。海洋石油勘探开发所用的各种海洋工程结构可分为海洋固定结构、移动结构、系泊装置、海底井口底盘和海底管道。

作为固定式海上平台之一，导管架式海洋平台具有适应性强、安全可靠、结构简单、造价低等优点，已被广泛应用于近海浅水石油开发。钢质导管架平台是由导管架通过钢管桩固定于海底的结构。这种类型的海洋平台由两部分组成：上部结构和基础结构。上部结构指平台的甲板梁、板、立柱等结构。基础结构也称为支承结构，由导管架和桩组成。腿柱(或称导管) 是中空的，钢管桩通过腿柱打入海底固定导管架。纵向与横向联系称为支撑，用于传递水平载荷，以保证结构在施工和安装过程中的整体稳定。腿柱和桩共同作用构成了导管架平台的支承结构。

目前所见到的导管架平台，主要有5种构造形式：对角型、K型、倒K型、X型和宝石型。X型平台和宝石型平台的极限承载能力相近(X型平台略高于宝石型平台)。底层受压斜撑失效后,内力重新分布,X型平台的承载能力略有增加，宝石型平台的承载能力略有下降。K型平台和倒K型平台在结构上非常相似,K型平台的极限承载能力略高于倒K型平台。但是，在底层斜撑失效后,倒K型平台的承载能力明显小于K型平台。对角型平台的冗余度低,极限承载能力低于其它几种形式平台。

1.2.1 X型导管架平台结构特征

X型导管架平台可分为上部结构、导管架和桩三个主要部分。

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