海冰是渤海辽东湾导管架平台JZ20—2中南平台及其上部设施冬季安全生产的主要威胁,其中以造成海洋平台冰激振动问题最为突出。自平台投产以来,冰振已经造成了多起严重的事故隐患。渤海辽东湾的导管架平台在海冰作用下能产生比较剧烈的振动。冰激振动除了可以引起导管架结构的疲劳破坏,还会引起平台上部天然气管线的疲劳破坏与法兰的密封失效泄露,其原因在于中南平台的上部管系的配管设计不好,没有考虑到冬季冰激振动这一不利因素,对管道缺乏严格的力学计算。因而,有必要对平台上部管线和法兰进行静力分析和动态分析,研究管线法兰在冰激振动下的失效机理,该研究对提高平台冬季生产的安全性,同时对平台的管线法兰检修工作具有现实的指导意义。 通过理论、数值模拟与实验相结合的方法,本论文就以下内容进行了研究: 1.结合我们教研室每年冬季进行的海冰管理项目,在对海洋平台导管架结构进行冰激振动监测的基础上,在中南平台上部管系法兰上安装了5个加速度和位移传感器,在整个冰期对管线和法兰的振动信息进行实时监测和数据采集。 2.基于辽东湾JZ20-2中南平台冬季现场监测结果,应用CARSSARII软件对平台上部管线系统进行有限元数值模拟,考虑了管线系统的支撑、管件、设备等因素的影响,计算出在冰振下,JZ202MSW平台上部主要天然气管系的模态、位移、转角响应及动应力幅值。结果表明,冰振对天然气管线的动态响应有着重要的影响,在冰区海洋平台上部管道设计时必须加以考虑,并提出了提高管系抗振措施。 3.在2005年5月,参与中南平台春季停产检修工作,我们自己设计和制作了测量螺栓残余力矩的扳手,并在实验室进行了标定。我们全部测量和统计了中南平台的生产管汇和计量管汇的法兰螺栓的残余扭矩,等到了大量的法兰螺栓松动的数据,发现了很多问题。 4.采用ANSYB软件,应用三维有限元技术,考虑了垫片的非线性和法兰和螺母、垫片的接触问题,并且采用了螺栓预紧单元,准确计算出法兰连接在承受内压、轴向力和弯矩外荷载时的应力分布。 5.在实验室进行了管线法兰承受横向振动载荷的振动实验,考察法兰螺栓在两种相对于平台典型冰情的振动载荷的作用下的松动情况以及保证法兰密封的螺栓预紧力随振动荷载的变化情况,并结合平台冬季测量得到的振动载荷数据,验证了冰激振动造成的管线法兰螺栓的松动,是造成中南平台天然气管线法兰失效泄漏的根本原因。