本文選題：自升式海洋平臺 + 樁腿環(huán)焊縫��； 參考：《東北石油大學》2015年碩士論文

【摘要】：自升式海洋平臺是海上石油開發(fā)的作業(yè)與生活場所,樁腿是自升式鉆井平臺的重要部位,支撐其整個結構在海上作業(yè)。平臺樁腿結構由于制造工藝的限制,不可避免存在微小氣泡、夾渣等缺陷,長期處于惡劣的海洋環(huán)境中樁腿不斷遭受來自風、浪、流等交變載荷的作用,微小缺陷在這些交變載荷的影響下,容易形成裂紋并不斷擴展,進而使樁腿的承載能力急劇下降,造成嚴重的后果。本文通過對樁腿環(huán)焊縫焊趾部位的裂紋進行擴展模擬,找到適用于海洋工作環(huán)境下結構裂紋擴展的規(guī)律,以達到發(fā)現(xiàn)結構出現(xiàn)裂紋時,能夠及時采取相應的措施來控制裂紋的擴展,從而避免海洋平臺結構發(fā)生重大的災難,對海上的安全生產具有重要意義。首先介紹了自升式海洋鉆井平臺的主要結構和工作環(huán)境載荷,進而圍繞平臺樁腿這一核心結構,結合斷裂力學理論,系統(tǒng)研究了含初始裂紋樁腿結構的裂紋擴展過程。具體來說,本論文著重在以下幾個方面進行了探索和研究。首先在對海洋平臺整體結構研究分析的基礎上,建立了自升式海洋平臺有限元模型,并適當簡化了平臺的一些次要結構。通過《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》計算得出平臺所受的的環(huán)境載荷以及自身重力載荷,并通過有限元軟件進行施加,經過計算得到風暴自存工況下整體海洋平臺有限元分析結果,表明樁腿結構飛濺區(qū)比較薄弱,有必要對此部位進行重點研究,計算結果符合實際工程情況。建立了海洋平臺含有環(huán)焊縫的樁腿模型,其中樁腿模型省略了豎焊縫以及加強板等結構,只保留了飛濺區(qū)部位的環(huán)焊縫。通過施加風、波浪荷載以及平臺重力載荷,對樁腿結構進行了具體計算,得到樁腿有限元分析結果,其中海平面以上1.8m處樁腿受力比較大。為了減少不必要的計算量,從樁腿環(huán)焊縫處剖分出一塊模型,成為子模型,利用專業(yè)三維裂紋擴展分析軟件,在子模型上添加橢圓形初始裂紋,并對裂紋前緣應力強度因子進行了計算,結果表明裂紋尖端處應力強度因子數(shù)值最大,推動裂紋不斷擴展。利用復合裂紋擴展準則中的最大周向應力準則來模擬裂紋擴展,通過設置裂紋擴展長度,并以應力強度因子為推動力模擬裂紋擴展,得到了裂紋擴展十步后的形貌圖。模擬裂紋擴展的形貌圖很好地表現(xiàn)了實際工程裂紋的走向,對工程檢測具有一定的指導意義。通過得到的裂紋擴展長度與裂紋應力強度因子之間的關系,結合Paris裂紋擴展速率模型來計算裂紋尺寸和施加載荷循環(huán)次數(shù)之間的關系,通過計算得到了由初始裂紋開始擴展直至裂紋擴展結束后,總的應力循環(huán)次數(shù),實現(xiàn)了樁腿疲勞裂紋擴展壽命的預測。
[Abstract]:The jack-up offshore platform is the working and living place of offshore oil development, and the pile leg is an important part of the jack-up drilling platform, which supports the whole structure of the platform in offshore operation. Because of the limitation of manufacturing technology, the structure of platform pile leg inevitably has some defects, such as micro bubble, slag inclusion and so on. The pile leg is constantly subjected to the action of alternating loads from wind, wave, current and so on in the bad marine environment for a long time. Under the influence of these alternating loads, the micro-defects are easy to form cracks and continue to expand, which makes the bearing capacity of the pile legs drop sharply, resulting in serious consequences. In this paper, by simulating the crack propagation in the weld toe of the girth weld of the pile leg, we find out the law of crack growth suitable for the offshore working environment, so as to find the crack in the structure. The corresponding measures can be taken in time to control the crack growth, thus avoiding the major disaster of offshore platform structure, which is of great significance to the safety of production at sea. Firstly, the main structure and working environment load of jack-up offshore drilling platform are introduced, and then the crack propagation process of pile-leg structure with initial crack is studied systematically around the core structure of platform pile leg and the theory of fracture mechanics. Specifically, this paper focuses on the following aspects of exploration and research. Firstly, based on the research and analysis of the whole structure of offshore platform, the finite element model of jack-up offshore platform is established, and some minor structures of the platform are simplified appropriately. The environmental load and its own gravity load of the platform are calculated by the Code of entry and Construction of fixed platform on the Sea, and applied by the finite element software. The finite element analysis results of the whole offshore platform under the condition of storm self-storage show that the spatter zone of the pile-leg structure is relatively weak, so it is necessary to focus on the research on this part, and the calculated results are in line with the actual engineering situation. A pile-leg model of offshore platform with girth welds is established in which the vertical weld and stiffening plate are omitted and only the circumferential weld in the splash zone is retained in the pile-leg model. By applying wind, wave load and platform gravity load, the pile leg structure is calculated, and the results of finite element analysis of pile leg are obtained, in which the pile leg force is relatively large at 1.8 m above sea level. In order to reduce the unnecessary calculation, a model is divided from the weld seam around the pile and leg to become a sub-model. The elliptical initial crack is added to the sub-model by using the professional three-dimensional crack growth analysis software. The results show that the stress intensity factor at the crack tip is the largest, which promotes the crack propagation. The maximum circumferential stress criterion of the composite crack growth criterion is used to simulate the crack growth. By setting the length of the crack growth and taking the stress intensity factor as the driving force to simulate the crack growth, the shape map of the crack propagation after 10 steps is obtained. The morphologies of simulated crack growth show the trend of actual engineering cracks well and have a certain guiding significance for engineering detection. Based on the relationship between crack growth length and crack stress intensity factor and Paris crack growth rate model, the relationship between crack size and the number of cycles under load is calculated. The total number of stress cycles from the beginning of the crack propagation to the end of the crack growth is calculated and the prediction of the fatigue crack propagation life of the pile leg is achieved.
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE95

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本文編號：2110255