管道系统应力分析在冰区海洋平台上的应用

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1、学兔兔www.xuetutu.com第4期．．43．．管道系统应力分析在冰区海洋平台上的应用王若思，胡晓明，方新，张亮，沈彬，胡蓉(海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451)[摘要]本文对JZ2卜1海洋平台所处特殊坏境下冰激平台的管道应力分析进行了详细介绍，依据相应标准、规范和分析结果提出了控制振动的措施。[关键词]海洋平台；管道应力分析；冰激振动；冰力函数管道设计的内容可概括为：依照工艺流程(2)管道动力模型分析，包括管道系统的模的指示，利用管道、管件将采油平台上的各个设型建立，管道动力特性分析。备连接起来，以满足

2、其工艺要求及实现其经济价(3)平台甲板冰振响应分析，包括建立平台值。管道设计过程中，在满足工艺流程要求的同导管架的力学模型，确定平台的动冰力模型，对时，还应使管道的设计既经济合理又安全可靠。平台甲板冰振响应分析。管道应力分析是实现这一目标的重要辅助手段和(4)管道流体振动分析，主要包括振源分方法。析，对各种设备泄放的不稳定流引起的管道振动1管道应力分析进行分析。1．1应力分析的内容对于冰区海洋平台上部天然气管道而言，动管道应力分析可分为静力分析和动力分析两力分析尤为重要。其内容主要是对冰激平台与管部分。静力分析是指在静力荷载(

3、如：压力、重内不稳定流引起的管道振动进行力学分析，以使力等)的作用下对管道进行力学分析；动力分析管道在动力因素下振动的影响得到有效控制。则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、2．2冰区海洋平台上部管道系统失效原因管道的地震分析(如：本文介绍的由冰振引起的引起平台上部管道系统失效的原因主要包括管线振动)、水锤和冲击荷载作用下管道的振动静力和动力两方面。在冰区，海冰对结构的影响分析，目的是使振动的影响得到有效控制。要远远超过其它工况，从而成为渤海海洋平台设i．2应力分析的方法计的控制主导因素。在传统石油、石化、炼焦、电力等行业

4、管由于海冰破坏模式主要是挤压破坏，冰力道设计中，一般使用单元法或估算法来计算管道高周期短，频率变化范围大，规律性差。其宏观应力。这种方法人为因素成份多，计算结果精度表现为结构在按其固有频率振动中受冰力影响较差。随着计算机辅助设计技术的发展，国外自上大，分析其振动频率，发现在某些条件下会发生世纪70～80年代开始有定型的软件用于工程设稳态振动，即结构强烈振动且持续时间较长，频计中，今已发展为相当成熟的产品系列，如率非常之高，可以导致导管架结构及其上部的管CAESARII、AutoPIPE、ANSYS等。本文介绍的道短时间内出现疲

5、劳裂纹，造成低周疲劳，而这JZ21—1项目中涉及到的冰振响应分析，所用软件为种破坏模式是工程中最危险的模式。ANSYS通过在平台上安装压力盒、拾振器等观测仪2管道应力分析在实际项目中的应用器得到了冰激力、结构的响应(结构位移、结构振动加速度、应变)等各种数据，再用统计分析2．1JZ21一J项目管道系统应力分析内容的方法对各随机要素进行分析，综合分析结果，JZ21．1油气平台的BOP、WHPA平台管线应力分析系统的研究内容包括：作者简介：王若思(1983一)，女，助理工程师，主要从事海洋(1)管道静力分析。石油生产设施油气总体配

6、管设计。学兔兔www.xuetutu.com44■技术交流石油与化工设备2011年第一14卷证实了这种稳态振动的存在。这样的稳态振动导霄达致了管线断裂与法兰松动，使天然气泄漏，严重威胁平台安全生产。2．3振动环境下管道的应力分析2．3．1冰振力学的意义海洋平台大多是直立导管架结构，为了降低海冰对平台的影响，经过理论研究与现场经验的积累，确定了通过在导管架桩腿上安装抗冰锥体来达到降低冰力效果的方法。原因在于，冰与锥体结构作用时产生弯曲破坏，冰与直立结构作用时产生挤压破坏，挤压强度大于弯曲强度，因此计冰与斜面结构作用的荷载要低于对

7、直立结构的荷载。根据这一原理，在直立结构平台桩腿冰作用图1现场原型观测系统的部位安装锥体，可降低平台的冰激荷载，同时是：冰力幅值、冰力周期与作用(上爬)时间。可将直立结构问题转化为锥体结构问题。这样的简化冰力函数，可便于工程应用。2．3．2锥体冰力研究(1)函数形式的确定平台所受冰力，分为静冰力和动冰力。静冰结合大量现场观察与机理分析可知，，冰在撞力是指，冰体与刚性结构作用发生破坏时产生的^aou啦o0击锥体结构时的破坏过程大致可划分为5个阶段，荷载，研究的重点在于确定冰力极值，即冰体对对应的冰力变化用下图表示：结构作用的极限

8、情况；而动冰力则是冰体与柔性结构作用时产生的荷载，研究重点在于确定波动①当冰板与锥体接触时，首先产生径向裂冰力的幅值与周期。纹，使冰板形成几个楔形梁，这期间冰力几乎呈直线增加。国内外一直在开展关于锥体静冰力的研究，具体研究方法可归结为以下三种：(1)建立理论②当径向裂纹扩展到