基于大型数值波流水池的海洋油气水下装备水动力测试

为了满足海洋油气水下装备水动力学教学需求,基于流体动力学基本理论以及FLUENT和C语言二次开发创建了大型数值波流水池,验证了其精确性,并开展了海洋油气水下装备水动力学数值试验,探究波流作用下海洋油气水下装备的水动力载荷特征。结果表明,开发的大型数值波流水池可实现波流耦合下的海洋油气水下装备水动力数值试验,并能够以直观、可视化的方式将水动力学结果展现出来,丰富海洋油气水下装备水动力学教学内容,并对培养学生的科学研究能力起到积极作用。

海洋平台振动监测技术试验研究

为保证海洋平台服役期间安全运行,以实验室海洋平台模型为研究对象,开展有关振动监测技术的试验研究。通过预制损伤等物理手段,模拟海洋平台模型完好与损伤状态。使用加载设备对平台模型加载,采集其在不同加载角度、频率与增益下的动力响应。对振动传感器校准后,利用传感器、信号调理仪以及信号采集软硬件设备,组成监测系统。分析试验数据,调整相关试验参数,选取最佳信号采集状态。选取双谱分析法对试验数据进行信号处理,得出平台模型完好与损伤状态的数据变化。结果表明:根据振动监测数据的双谱模量与频率分布,能够识别损伤。

海洋平台油气火灾爆炸机理及其结构响应特性研究进展

火灾、爆炸等重大灾害条件下海洋平台结构风险评估涉及众多学科和研究领域,一直是国内外学者关注的热点问题。从试验、爆炸模型和火灾/爆炸平台结构载荷与结构响应研究等方面,综述近年来国内外在海洋平台油气火灾、爆炸机理及其作用下平台结构力学行为及响应特性研究方面的现状与最新进展,评述这些进展的科学性与局限性,指出海洋平台环境条件下火灾/爆炸机理及其对平台结构影响研究的特点以及存在的问题,并展望海洋工程重大灾害及结构风险研究领域的热点问题和发展趋势。

深水油气开采安全风险评估与管控研究进展

深水油气领域是未来中国能源发展的主战场,加大深水油气勘探开发力度是建设海洋强国和保障国家能源安全的有效途径,但严苛复杂的海洋环境和工艺条件是深水油气开发必须面对的现实挑战。为此针对深水油气开采的主要作业场景,系统开展钻井和生产过程中井喷、泄漏、燃爆等重大事故的风险评估、风险演化、后果评估及事故防控研究,定量评估深水钻井作业及井控工艺过程风险,提出钻井作业事故连锁风险演化方法,建立钻井及井控作业关键屏障可靠性评估模型,同时针对深水油气开采工艺事故风险,基于机器学习算法和数据驱动模型,形成考虑多场景、多参数的普适性事故风险评价方法和数字化防控体系。可为深水油气开采工程风险评估和防控提供良好的理论基础和技术支撑。

海洋钻修机井架安全承载实时监测预警系统研发与应用

为保障海洋钻修机井架作业过程中的结构安全性,建立了一套钻修机井架安全承载实时监测及预警系统,并以南海文昌平台修井机井架为对象开展了工程应用研究。按照方案设计、硬件集成、信息化系统开发等3个过程要素,设计了监测体系的整体方案。为确保系统方案布置及实时分析的精确性,采用联合静动力学参数反演方法进行了精细有限元模型修正,结合BP神经网络和井架模型数据库对井架初始应力进行了预测。在监测硬件系统基础上开发了信息化系统,实现了数据库管理、监测方案制定、井架安全等级评定及作业全过程实时监测及预警功能,并将该系统成功应用于实际工程监测中。本文研发成果可进一步为井架的安全作业以及检修策略的制定提供良好的指导。

大型海洋石油平台风振响应

针对大型海洋石油平台钻井架、吊机等高耸镂空结构抗风敏感性问题，进行了高耸结构风致振动响应分析。基于相似准则开展了0-360°全风向角下大型海洋石油平台高频动态测力天平实验，建立了平台结构全风向角下脉动风载荷空间分布估计模型，进行了全风向角下平台结构风致振动评估，获得了平台结构风致振动特性和阵风载荷因子变化规律。结果表明：平台结构横风向脉动风载荷均方根值约为顺风向脉动风载荷均方根值的10％；平台结构风致振动主要集中于井架等高耸镂空结构，横风向加速度均方根值约为顺风向加速度均方根值的55％；井架等高耸结构对横风向脉动风载荷动力放大作用较大。进行大型海洋石油平台结构抗风设计时不应忽略横风向风载荷作用，还要重点关注高耸井架顶部和底部的风振响应以及高耸结构对横风向脉动风载荷的放大作用。

基于FDS的海洋平台油气处理系统火灾危险分析

以某海洋平台下层甲板油气处理系统为研究对象,针对油气处理系统原油泄漏引发的火灾事故,以计算流体力学为理论基础,采用FDS软件建立油气处理系统火灾动力学模型,选取温度、热辐射强度、烟气层高度(厚度)和能见度等4个火灾危险性评价指标,对火灾影响后果进行了评价。油气处理系统一旦发生火灾将导致严重后果,人员需立即疏散并采取控制措施;通过对比不同脱险梯道受火灾影响程度,确定出了最有利于人员疏散的路径;设备泄漏孔径越大,火灾危险性越大,不利于人员疏散。

海洋油气钻采高压钢丝缠绕胶管结构承压特性分析

为合理设计海洋油气钻采高压钢丝缠绕胶管结构参数,开展了胶管结构承压特性影响因素分析。首先,建立有限元数值模型,分析胶管各层的应力和应变分布情况;其次,优选高压胶管钢丝直径、缠绕角度、内胶层厚度和增强层橡胶厚度等4个结构参数,通过单因素分析系统呈现高压胶管各结构参数对钢丝层应力应变的影响;最后,采用正交试验方法分析4个结构参数的敏感性。结果表明,胶管各层应力与应变由内而外逐层递减;增强层钢丝的最大应力和应变随缠绕角度增加逐渐降低,随其他参数的增加逐渐增加;各参数对胶管承压水平的影响由大到小依次为钢丝直径、缠绕角度、增强层橡胶厚度和内胶层厚度。本文研究结果可为海洋油气钻采高压胶管结构设计时的参数优选提供参考。

绝缘及带绝缘包覆油气管道电容成像检测技术

传统无损检测技术用于检测绝缘及带绝缘包覆油气管道缺陷时存在较大局限性。通过理论分析电场线和仿真模型电势线扰动规律,提出了检测绝缘及带绝缘包覆油气管道缺陷的电容成像无损检测技术,并构建了一整套基于电容成像检测原理的检测系统。试验研究结果表明:电容成像检测技术可用于绝缘(玻璃钢)油气管道中的表面缺陷和隐藏缺陷检测,也可用于带绝缘包覆油气管道中的绝缘层缺陷和金属层缺陷检测。本文研究成果对于保障油气管道运行安全具有指导意义。

自升式海洋平台倾斜事故综合安全分析

以自升式海洋平台正常作业情况下的倾斜事故为对象,利用事故树(FTA)、事件树(ETA)、蝴蝶结模型(BTA)等多种安全分析方法,分析事故原因,后果及预防控制措施,展示事故发生机理。在此基础上,从预警,设备和检测等多个方面对倾斜事故的风险控制提出建议,对于自升式平台的上岗培训及实际生产作业具有一定的参考价值。

海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发

该文开发了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。平台使用六自由度平台模拟海洋浮式钻井平台的运动,并基于集中质量法和动力学相似原理,设计了隔水管缩尺模型。实验平台的悬挂系统可实现上冲程控制、下冲程控制和非控制锁死3种动作,测控系统使用监视与控制通用系统(MCGS)组态软件、可编程逻辑控制器(PLC)和PID控制算法开发。通过使用该实验平台,学生可以增加对海洋钻井隔水管悬挂动力学控制的感性认识,通过实际动手操作训练可加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术和装置的理解,提升教学效果并培养学生的创新意识。

基于系统动力学的海洋平台安全脆弱性分析

海洋平台承受着风、浪、流等复杂环境载荷,安全系统在保障平台安全稳定方面的作用极为突出。为深入探讨影响海洋平台安全脆弱性的机理,针对海洋平台作业环境的极端性和复杂性,建立了海洋平台的安全脆弱性系统动力学分析模型,采用模糊层次分析法确定影响安全系统中各层因素的权重系数,并设定参数,考虑子系统不同的安全投入方案,进行了海洋平台脆弱性系统分析。研究结果表明:海洋平台设备系统对于暴露度和敏感度的影响程度最高,管理系统对海洋平台安全系统的适应度起主导作用;当安全投入总值一定,对各系统的投入比例不同时,为有效降低海洋平台脆弱性,应合理分配有限投入资金。

海洋钻修机井架安全承载性能实时监测及预警

海洋钻修机井架的安全承载性能受到历史服役过程和实际运行状态等因素的影响,如何在井架实时监测的基础上开展安全承载性能评估和预警具有重要工程意义。在井架结构力学性能研究的基础上开展监测方案制定,并以南海某导管架平台钻机井架为对象首次开展井架钻井作业工况结构安全实时监测研究,同时将监测结果与有限元仿真结果进行了对比。研究结果表明,提出的基于井架多种工况有限元分析的监测方案制定方法,能够实现通过尽可能少的监测点反映井架结构的安全状态;有限元计算结果与现场监测结果的相对误差为2.53%,说明监测技术具有较高的精确性。所得结论可为井架检修决策的合理制定提供参考。

风暴灾害下海洋油气工业重大事故演化层次研究

为保证风暴灾害等极端环境下海洋油气作业安全,提出基于扎根理论和决策实验室分析法-解释结构模型(DEMATEL-ISM)的事故演化层次研究方法。首先,通过风暴灾害下海洋油气工业重大事故案例的统计分析,探讨事故发生与外部环境因素和内部特征因素的相关关系;然后,利用程序化扎根理论开展自下而上的客观归纳,对事故致因因素编码并形成概念和各级范畴;最后,结合DEMATEL-ISM自上而下主观演绎的特性,确定事故的演化层次。研究结果表明:较高的风暴强度、较长的服役年限、较低的自身等级和风暴频繁发生的季节及区域等都是导致事故发生的潜在风险;事故演化层次中B4和B3等2个层级交互关系具有涌现性的特征,恶劣气象条件和风险意识缺乏是事故发生的根本原因,支撑结构受损和水密完整性损失是事故发展的关键节点,平台设施受损是事故演化的必由路径,加强上述因素的管控可有效降低极端灾害下的海洋油气作业风险水平。

海洋油气管道泄漏事故应急管理体系构建研究

为有效应对和管理海洋油气管道泄漏事故,从管道失效预警与预防以及泄漏事故应急处置的综合视角出发,构建了“风险-应急”一体化概念的海洋油气管道泄漏事故应急管理体系框架,包括风险评估与管理、重大泄漏事故预警、应急处置预案、应急中断恢复以及应急演练等,并采用闭环模式运行。从风险评估与管理、预警与预防以及应急预案方面阐述海洋油气管道泄漏风险防控与预警机制,建立海洋管道泄漏事故应急响应程序,掌握不同管道泄漏衍生场景的应急实施原则;在此基础上,设计海洋油气管道泄漏事故应急信息化支持系统的重要功能模块内容,为海洋油气管道泄漏典型事故场景的应急处置与管理提供支持。

基于响应面方法的海洋修井猫道结构优化分析

海洋平台空间及额定承载能力受限,在用动力猫道存在整机质量及体积过大的问题。为此,以某全液压驱动的举升式海洋修井动力猫道为研究对象,借助虚拟样机技术和响应面优化设计方法,根据动力猫道管柱输送的作业特点,进行动力猫道关键结构的尺寸优化设计与分析。分析结果表明:基于动力学仿真获取动力猫道待优化结构的载荷数据,借助AWE模块建立结构响应面模型,并通过优化算法求解,找到该结构尺寸设计变量的最优组合,完成了结构轻量化改进设计的目标;响应面法得到的海洋修井动力猫道结构尺寸优化设计方案与原始方案相比,各优化结构质量减轻了12.5%33.0%,同时安全系数大于2.5。所得结论可为海洋平台动力猫道的结构优化和性能提升提供理论依据。

司钻房爆炸载荷场景下的人员安全撤离分析方法

为有效降低井喷失控场景下人员的应急疏散风险,提出针对司钻房控制室爆炸载荷的安全撤离分析方法。首先,根据司钻房控制室载荷设计规范和布局,确定司钻房的爆炸载荷阈值;然后,运用多能法初步估计爆炸载荷阈值对应的等效气云体积,并构建井喷失控场景平台爆炸仿真模型,借助逆推法确定爆炸载荷的可燃气云体积阈值;最后,针对井喷重组分气体扩散过程的危险气云体积变化曲线,确定不同场景下的可用安全疏散时间T A,通过对比所需安全疏散时间T R,判断人员能否安全撤离。结果表明:所提方法可以针对多种井喷场景下的人员安全撤离给出指导建议,其中,井喷速率和风速对T A有显著影响,当风速增至7 m/s时可以保证司钻人员的安全撤离,而井喷速率的增加则会显著降低T A,当井喷速率>390 m/s时,会威胁司钻人员的安全撤离。

深水隔水管-防喷器组耦合系统动力学建模与仿真验证

在深水钻井过程中,隔水管与防喷器组系统是整个作业环节的重要一环。由于在作业过程中面临着诸多风险,因此,建立精确的隔水管-防喷器组耦合系统力学分析模型,准确分析其力学行为和性能,对指导钻井作业安全进行具有重要意义。目前大多只关注于对隔水管的独立建模而忽视防喷器组的潜在影响,这将导致所建模型与实际情况存在差异,使得隔水管系统的力学特性无法得到精确分析。提出了隔水管与防喷器组刚柔耦合概念,推导耦合系统动能、势能,采用拉格朗日方法建立理论模型,用Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。采用ADAMS软件进行了仿真建模,开展不同工况条件下的动态响应对比分析。结果表明,理论模型得到的隔水管横向位移包络线、弯矩包络线、隔水管中部节点横向位移时程曲线和底部弯矩时程曲线与ADAMS仿真结果吻合良好,从而表明了该理论模型的重要性,可为我国隔水管的设计和分析提供参考和支持。

修井船运动激励下修井隔水管-修井工具系统动力学特性

考虑修井工具的影响,开展修井船运动激励下修井隔水管系统动力学特性研究。基于梁理论建立了修井隔水管与修井工具的力学模型,施加了修井船运动、张紧系统及土壤等边界约束;使用间隙单元法建立了修井隔水管与修井工具的接触模型;基于有限元法与Newmark-β法建立了数值模型,对修井船不同运动下的修井隔水管系统动态响应进行了分析。结果表明:当修井船升沉运动时,修井隔水管轴向位移与修井工具轴向位移差异显著;当修井船纵荡时,修井隔水管与修井工具易发生规律性接触;当修井船纵摇运动时,修井隔水管与修井工具运动几乎一致。

深水水下井口全钻井过程波激疲劳精细化评估

传统的水下井口波激疲劳评估没有考虑不同钻井阶段水下井口结构组成变化,导致水下井口波激疲劳评估精度有限。为此,提出基于整体-局部交互分析的全钻井过程水下井口波激疲劳损伤精细化评估方法,建立钻井全过程复杂结构水下井口局部精细模型及平台-隔水管-水下井口-导管耦合系统整体模型,研究整体模型与局部模型交互机制,并构建整体模型与局部应力传递关系,精细化评估水下井口全钻井过程波激疲劳损伤。研究结果表明:全钻井过程水下井口结构组成变化对隔水管系统和远离泥线导管处的波激疲劳几乎无影响,但对水下井口局部及泥线附近导管的波激疲劳存在较大影响;钻井第二阶段水下井口波激疲劳损伤最为严重,且水下井口底端始终为疲劳极限位置。所得结论有助于判断钻井过程中水下井口疲劳状态,保证作业安全。