基于海洋平台管节点的结构可靠性分析
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江苏科技大学 硕士学位论文 基于海洋平台管节点的结构可靠性分析 姓名：王辉辉 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：窦培林 20070318
摘要
基于海洋平台管节点的结构可靠性分析 摘要
管节点是海洋平台结构关键的部位，同时也是最薄弱的构件。节点处应力高度集 中，极易发生疲劳破坏、冲剪破坏以及其它形式的破坏。一旦节点发生破坏，可能会 导致整个结构失效。因此，管节点强度设计和可靠性分析是当前海洋结构基本性能研 究的主要方向，也是保证平台结构安全的重要问题。 本文主要通过对渤西 QK18-2 导管架平台进行节点和体系可靠性计算分析，寻找 平台最不利的节点和荷载工况组合，为合理设计海洋平台结构和现役平台的科学评估 提供分析方法和理论依据。本论文主要包括以下内容： 运用大型结构有限元分析软件 MSC.Patran / Nastran ，选用四边形壳单元对 T、Y 型圆管节点进行了弹塑性大挠度分析。通过观察节点应力和塑性区分布扩展规 律，揭示节点受力性能，并选择影响圆管相贯节点的承载力的主要因素，对其承 载力性能进行研究，从而找到极限承载力随其几何参数的变化规律，获得一些有 益的结论，为节点的强度设计和可靠性分析打下基础。 运用 MSC.Patran 建立了渤西 QK18-2 导管架平台整体结构有限元模型，计算了平 台的环境载荷，并按照规范进行了荷载组合，确定了结构计算分析的主要工况。 在建立的平台整体有限元模型的基础上，运用 MSC.Nastran 计算了各种荷载组合 工况下平台的整体结构应力。通过对平台整体结构的应力分析，并结合节点极限 承载力随其主要参数变化的规律，完成了平台应力幅较大的典型管节点的选取。 根据 API 有关规范，对典型管节点进行了强度校核。这是进行节点强度可靠度计 算分析的前提。 对渤西 QK18-2 固定式平台进行节点和体系可靠性分析。首先依据 QK18-2 平台 附近海域长期统计分布资料，应用 Monte − Carlo 模拟方法确定了平台可靠性分析 中诸多随机变量的统计参数和概率分布函数，然后基于可靠度理论，选用中国海 洋石油天然气行业标准《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法—荷载和抗 力系数设计法》 （SY/T 10009-2002）中关于管节点强度校核的极限状态函数，运 用 JC 法计算了 QK18-2 平台结构典型管节点的强度可靠度指标和相应的失效概 率。最后根据 Sigurdsson 等人提出的可靠度计算公式，采用等效荷载法对平台结 构体系可靠度进行了近似分析，提出了平台系统的失效评判准则。
Key words：offshore platform structures；tubular joints；reliability；strength check
IV
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
随着社会的进步，科技和经济的迅猛发展，世界各国对石油、天然气等能源的需 求越来越大。由于陆上油气资源的逐渐减少，已满足不了人类的需求，为此，人类就 把目光投向占地球面积百分之七十一的蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源的海洋。面 对极其丰富、如此诱人的巨量海洋资源，各国加紧了海洋高技术的开发，使海洋环境 探测、海洋资源调查、海洋油气开发、海洋深潜和海洋生物技术等成为世界高技术竞 争的热点。我国有 18000 多公里的海岸线，6500 多个海岛。在近 300 万平方公里的 海域内，大陆架海区含油气盆地面积近 70 万平方公里，预测石油资源量为 275.3 亿 吨，天然气资源量为 10.6 万亿立方米，各种形式的海洋能源总量超过 4 亿千瓦，目 前原油的发现率仅为 18.5%，天然气发现率仅为 9.2%，极具勘探开发潜力。国际能 源机构(IEA )最近的一份研究报告指出，未来 30 年全球能源行业需要投资 16 万亿美 元，才能满足同期的能源需求，其中油气投资应达到 3 万亿美元。据 IEA 的 2003 年 世界能源投资展望，至 2030 年，全球能源需求将以每年 1.7%的速度增长，其中石油 需求将增至 1.2 亿桶/日，天然气需求将在 2000 年的基础上翻一倍[1] 。在油气领域的 投资中，约 3/4 将用于勘探和开发，海上生产将占越来越大的比重。 海洋石油勘探开发是投资高、技术密集和风险较大的产业，海洋平台作为海洋资 源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。随着海洋油气资源的大规模发 展，在世界不同海域已建成不同型式的海洋平台 6000 余座，绝大多数是钢质平台。 海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，所处的环境条件复杂而恶劣，承受着多种 随时间和空间变化的随机荷载，包括波浪、海流、风、潮汐及海冰等引起的荷载的联 合作用。环境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷与基础动力软化、材料老化、构件缺 陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等，都将导致平台结构构件和整体抗力 的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。采用何种方法能够科学、合理地评价海洋 平台这类荷载、强度具有随机性的结构物的安全度成为海洋工程领域重要的研究课 题，于是可靠性方法应运而生，因此研究海洋平台结构可靠性具有重大的现实意义
I
摘要
关键词：海洋平台结构；管节点；可靠性；强度校核
II
Abstract
The Reliability Analysis of Offshore Platform Structure based Tubular Joints
Abstract
The tubular joints are the most important but the weakest members of ocean platform. The nodes always have strong stress, so they are extremely easy to be destroyed in forms of fatigue, concussion, cut and so on. Once they are destroyed, the entire structure may abate. Therefore, strength design and reliability analysis of the tubular joints are important in ensuring that the ocean platform is safe, also the main directions in the current fundamental studies of the ocean platform’s performance. As a strength reliability model, the jacket platform QK18-2 was analyzed .The worst tubular joints and load cases combination about the platform were found .In this paper,the theory bases and analysis methods were provided for reasonable design of offshore platform and scientific evaluation for offshore platform in service .The thesis includes the following contents mainly: An elastic large deflection finite element was used to study the behavior of the circular tubular T/Y joints. A four node shell element in MSC.Patran/Nastran was employed to simulate the joints in the analysis. The studies showed the joint working performance and plasticity spread with loading. The influence of various geometric parameters of the joint on its behavior and ultimate strength was investigated theoretically, some useful conclusions were conducted. It was the foundation for strength design and reliability analysis of tubular joints. An integral structural finite element model of the jacket platform QK18-2 was developed for stress calculation. The ocean environmental loads were calculated, and the combination of loads were made based on API rules.Then stresses of the integral structure subjected to all kinds of load cases were calculated. Under the condition of stress analysis and experience, tubular joints bearing major stress amplitude were selected. Based on API rules, the strength of typical tubular joints was checked. It was the precondition for strength reliability analysis of tubular joints. Reliability analysis of system and tubular joints of the jacket platform QK18-2 was carried out. According to long-term statistical distribution data of nearby sea, stochastic variable statistical parameters and probability distribution function in reliability analysis
埋置式管线漂浮式管线海底管线组装式底盘间际式底盘整体式底盘海底井口底盘圆柱型浮动储油罐悬链锚腿系泊装置悬链式结构单锚腿永久系泊装置单锚腿系泊装置单锚腿式结构系泊装置浮式钻井船半潜式平台漂浮式结构坐底式平台自升式平台着底式结构移动式结构牵索固定塔式平台张力腿平台柔性支撑结构人工岛重力式砼平台塔架型平台导管架平台刚性支撑结构固定式结构海洋工程结构物salpmsalm图11海洋工程结构的分类二导管架结构导管架是由导管桩腿和连接结构的纵横撑杆组成的空间结构
III
Abstract
were assured with Monte-Carlo simulation method. Then based on the reliability theory, strength reliability index and relevant failure probability of typical tubular joints were calculated using JC method. At last, on the function of rel Sigurdsson, system reliability of platform structure was analyzed by equivalent load method, and the failure judgement critera of platform system was proposed.
摘要
基于海洋平台管节点的结构可靠性分析 摘要
管节点是海洋平台结构关键的部位，同时也是最薄弱的构件。节点处应力高度集 中，极易发生疲劳破坏、冲剪破坏以及其它形式的破坏。一旦节点发生破坏，可能会 导致整个结构失效。因此，管节点强度设计和可靠性分析是当前海洋结构基本性能研 究的主要方向，也是保证平台结构安全的重要问题。 本文主要通过对渤西 QK18-2 导管架平台进行节点和体系可靠性计算分析，寻找 平台最不利的节点和荷载工况组合，为合理设计海洋平台结构和现役平台的科学评估 提供分析方法和理论依据。本论文主要包括以下内容： 运用大型结构有限元分析软件 MSC.Patran / Nastran ，选用四边形壳单元对 T、Y 型圆管节点进行了弹塑性大挠度分析。通过观察节点应力和塑性区分布扩展规 律，揭示节点受力性能，并选择影响圆管相贯节点的承载力的主要因素，对其承 载力性能进行研究，从而找到极限承载力随其几何参数的变化规律，获得一些有 益的结论，为节点的强度设计和可靠性分析打下基础。 运用 MSC.Patran 建立了渤西 QK18-2 导管架平台整体结构有限元模型，计算了平 台的环境载荷，并按照规范进行了荷载组合，确定了结构计算分析的主要工况。 在建立的平台整体有限元模型的基础上，运用 MSC.Nastran 计算了各种荷载组合 工况下平台的整体结构应力。通过对平台整体结构的应力分析，并结合节点极限 承载力随其主要参数变化的规律，完成了平台应力幅较大的典型管节点的选取。 根据 API 有关规范，对典型管节点进行了强度校核。这是进行节点强度可靠度计 算分析的前提。 对渤西 QK18-2 固定式平台进行节点和体系可靠性分析。首先依据 QK18-2 平台 附近海域长期统计分布资料，应用 Monte − Carlo 模拟方法确定了平台可靠性分析 中诸多随机变量的统计参数和概率分布函数，然后基于可靠度理论，选用中国海 洋石油天然气行业标准《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法—荷载和抗 力系数设计法》 （SY/T 10009-2002）中关于管节点强度校核的极限状态函数，运 用 JC 法计算了 QK18-2 平台结构典型管节点的强度可靠度指标和相应的失效概 率。最后根据 Sigurdsson 等人提出的可靠度计算公式，采用等效荷载法对平台结 构体系可靠度进行了近似分析，提出了平台系统的失效评判准则。
Key words：offshore platform structures；tubular joints；reliability；strength check
IV
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
随着社会的进步，科技和经济的迅猛发展，世界各国对石油、天然气等能源的需 求越来越大。由于陆上油气资源的逐渐减少，已满足不了人类的需求，为此，人类就 把目光投向占地球面积百分之七十一的蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源的海洋。面 对极其丰富、如此诱人的巨量海洋资源，各国加紧了海洋高技术的开发，使海洋环境 探测、海洋资源调查、海洋油气开发、海洋深潜和海洋生物技术等成为世界高技术竞 争的热点。我国有 18000 多公里的海岸线，6500 多个海岛。在近 300 万平方公里的 海域内，大陆架海区含油气盆地面积近 70 万平方公里，预测石油资源量为 275.3 亿 吨，天然气资源量为 10.6 万亿立方米，各种形式的海洋能源总量超过 4 亿千瓦，目 前原油的发现率仅为 18.5%，天然气发现率仅为 9.2%，极具勘探开发潜力。国际能 源机构(IEA )最近的一份研究报告指出，未来 30 年全球能源行业需要投资 16 万亿美 元，才能满足同期的能源需求，其中油气投资应达到 3 万亿美元。据 IEA 的 2003 年 世界能源投资展望，至 2030 年，全球能源需求将以每年 1.7%的速度增长，其中石油 需求将增至 1.2 亿桶/日，天然气需求将在 2000 年的基础上翻一倍[1] 。在油气领域的 投资中，约 3/4 将用于勘探和开发，海上生产将占越来越大的比重。 海洋石油勘探开发是投资高、技术密集和风险较大的产业，海洋平台作为海洋资 源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。随着海洋油气资源的大规模发 展，在世界不同海域已建成不同型式的海洋平台 6000 余座，绝大多数是钢质平台。 海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，所处的环境条件复杂而恶劣，承受着多种 随时间和空间变化的随机荷载，包括波浪、海流、风、潮汐及海冰等引起的荷载的联 合作用。环境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷与基础动力软化、材料老化、构件缺 陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等，都将导致平台结构构件和整体抗力 的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。采用何种方法能够科学、合理地评价海洋 平台这类荷载、强度具有随机性的结构物的安全度成为海洋工程领域重要的研究课 题，于是可靠性方法应运而生，因此研究海洋平台结构可靠性具有重大的现实意义
I
摘要
关键词：海洋平台结构；管节点；可靠性；强度校核
II
Abstract
The Reliability Analysis of Offshore Platform Structure based Tubular Joints
Abstract
The tubular joints are the most important but the weakest members of ocean platform. The nodes always have strong stress, so they are extremely easy to be destroyed in forms of fatigue, concussion, cut and so on. Once they are destroyed, the entire structure may abate. Therefore, strength design and reliability analysis of the tubular joints are important in ensuring that the ocean platform is safe, also the main directions in the current fundamental studies of the ocean platform’s performance. As a strength reliability model, the jacket platform QK18-2 was analyzed .The worst tubular joints and load cases combination about the platform were found .In this paper,the theory bases and analysis methods were provided for reasonable design of offshore platform and scientific evaluation for offshore platform in service .The thesis includes the following contents mainly: An elastic large deflection finite element was used to study the behavior of the circular tubular T/Y joints. A four node shell element in MSC.Patran/Nastran was employed to simulate the joints in the analysis. The studies showed the joint working performance and plasticity spread with loading. The influence of various geometric parameters of the joint on its behavior and ultimate strength was investigated theoretically, some useful conclusions were conducted. It was the foundation for strength design and reliability analysis of tubular joints. An integral structural finite element model of the jacket platform QK18-2 was developed for stress calculation. The ocean environmental loads were calculated, and the combination of loads were made based on API rules.Then stresses of the integral structure subjected to all kinds of load cases were calculated. Under the condition of stress analysis and experience, tubular joints bearing major stress amplitude were selected. Based on API rules, the strength of typical tubular joints was checked. It was the precondition for strength reliability analysis of tubular joints. Reliability analysis of system and tubular joints of the jacket platform QK18-2 was carried out. According to long-term statistical distribution data of nearby sea, stochastic variable statistical parameters and probability distribution function in reliability analysis
埋置式管线漂浮式管线海底管线组装式底盘间际式底盘整体式底盘海底井口底盘圆柱型浮动储油罐悬链锚腿系泊装置悬链式结构单锚腿永久系泊装置单锚腿系泊装置单锚腿式结构系泊装置浮式钻井船半潜式平台漂浮式结构坐底式平台自升式平台着底式结构移动式结构牵索固定塔式平台张力腿平台柔性支撑结构人工岛重力式砼平台塔架型平台导管架平台刚性支撑结构固定式结构海洋工程结构物salpmsalm图11海洋工程结构的分类二导管架结构导管架是由导管桩腿和连接结构的纵横撑杆组成的空间结构
III
Abstract
were assured with Monte-Carlo simulation method. Then based on the reliability theory, strength reliability index and relevant failure probability of typical tubular joints were calculated using JC method. At last, on the function of rel Sigurdsson, system reliability of platform structure was analyzed by equivalent load method, and the failure judgement critera of platform system was proposed.