CN107964935A - 一种改进柔性直立海洋平台结构抗冰性能的破冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋平台结构技术领域，一种改进直立海洋平台结构抗冰性能的破冰装置，在原有直立桩腿的表面、沿竖直方向安装有棱条型抗冰结构。所述的棱条型抗冰结构由三角形截面的钢条构成。所述的钢条的截面尺寸根据直立桩腿的直径确定，钢条的长度和加固位置由水线位置确定。所述的钢条按照圆周上每20度一根均匀焊接于直立桩腿表面，共18根共同棱条型抗冰结构。该破冰装置能够有效避免冰与直立结构作用过程中局部持续冰压力的形成，从而减小挤压破碎产生冰载荷和结构振动。该破冰装置具有制造加工方便和装配简单的特点，有效节约了生产成本和人工成本。

Description

一种改进柔性直立海洋平台结构抗冰性能的破冰装置

技术领域

本发明属于海洋平台结构技术领域，涉及针一种对固定式海洋平台结构的 抗冰性能改进方法，特别涉及通过加装棱条型破冰装置对直立桩腿抗冰性能的 改进。

背景技术

在冰区的油气开发过程中，海冰作为主要的环境荷载对工程结构的安全有 着重要的影响。因此，冰区海洋平台结构的抗冰性能，需要综合考虑海冰参数 的影响，例如冰的类型、冰与结构作用时的破坏模式及冰荷载情况等。在海冰 与直立结构相互过程中，海冰的破坏模式主要为挤压破碎。海冰挤压破碎的过 程中会对结构形成具有持续挤压力的高压区，不仅对结构具有较大的冰载荷而 且会产生强烈振动响应，对平台结构的正常运作和人员安全造成严重威胁。近 年来，破冰锥体结构在提高直立结构的抗冰性能方面有着广泛应用。但是，破 冰锥结构也有自身的弊端，比如在加工制造、安装和维护等方面的成本较高。

因此本发明针对锥体结构抗冰性能的不足，设计一种新型的棱条型抗冰装 置，在改善直立结构冰载荷的同时有效节约成本。

发明内容

为直立腿平台结构建立合理可行的抗冰方案，本发明提出了一种棱条型破 冰装置，加装在直立桩腿结构的水平面附近。

本发明的技术方案：

一种改进海洋平台结构中直立桩腿破冰性能的破冰装置，在原有直立桩腿 的表面、沿竖直方向安装有棱条型抗冰结构。

所述的棱条型抗冰结构由三角形截面的钢条构成。

所述的钢条的截面尺寸根据直立桩腿的直径确定，钢条的长度和加固位置 由水线位置确定。

所述的钢条按照圆周上每20度一根均匀焊接于直立桩腿表面，共18根共 同棱条型抗冰结构。

直立桩腿的冰载荷形式为以挤压破碎为主的持续冰载荷，平台结构的冰激 振动严重时可威胁到平台结构和人员安全。海冰挤压破碎的产生方式表现为冰 与直立结构作用过程中，分布在冰排上下表面的冰将首先脱落，呈粉末状挤出 冰与结构的接触面；然后冰排的中间层未破碎冰持续作用在结构上，形成持续 的冰载荷，该部分冰破碎后再由冰排的上下表面不断挤出接触面。该过程循环 产生，使得冰与结构持续作用，冰排破碎成粉末或小颗粒，结构产生持续的冰 载荷。

根据冰速的不同，结构产生的振动形式有所区别，主要分为准静态模式、 稳态振动和随机振动三种形式。当冰速较慢时，冰与直立结构作用发生蠕变挤 压破碎，此时冰载荷的波动较小，基本不会引起结构振动，表现为准静态模式； 当冰与结构作用速度缓慢增加，冰的挤压破碎过程与结构振动相互影响。这时 冰载荷的频率与结构振动频率形成特殊的锁定现象，结构发生稳态振动。稳态 振动时结构振动幅值较大，持续时间较长，是直立结构上最危险的冰激振动形 式。直立结构上的稳态振动现象属于冰致结构自激振动。当冰速较快时，通常 超过0.1m/s时，冰板会发生脆性挤压破碎，结构响应变为随机激励下的受迫随 机振动。

针对冰与直立结构的破碎特点，通过冰的压缩试验分析了冰与结构接触面 形状的影响。试验表明在压板上增加不同形状的均匀分布的凸起后，使得冰与 结构接触面变为非光滑平面，得到的冰的破坏模式和冰载荷形式变化明显。结 果表明接触面上的凸起可以有效防止冰与结构作用过程中高压区的产生，降低 冰载荷并减小结构振动的产生。其中接触面上凸起形状为金字塔型时，海冰与 结构作用的高压区明显消失，降低冰载荷的效果最为明显。当该理论应用于真 实海洋平台结构时，应综合考虑凹凸接触面对海冰破冰模式的影响以及具体的 海洋环境。海冰与海洋平台结构作用后破碎成粉末后若未被及时清除会再次冻 结，甚至会影响结构的外形，导致冰载荷变化。为消除这一影响，本发明采用 截面为三角形的钢条材料，均匀布置在直立桩腿表面，并将该钢条组合称为棱 条型破冰装置。该装置的目的在于抵消冰与直立结构作用产生的高压区所形成 的持续较高冰载荷和结构振动的影响。

本发明的有益效果：

1、该破冰装置能够有效避免冰与直立结构作用过程中局部持续冰压力的形 成，从而减小挤压破碎产生冰载荷和结构振动。

2、该破冰装置具有制造加工方便和装配简单的特点，有效节约了生产成本 和人工成本。

3、本发明为海洋平台结构的抗冰方案提供新思路，不再局限于传统的加装 锥体结构方式减小冰与直立结构作用的冰载荷。在该设计思路的指导下，关于 不同棱条形状、尺寸和分布规律下的抗冰性能可以得到进一步讨论。

附图说明

图1(a)为本发明的加装棱条型破冰装置的直立结构主视图。

图1(b)为本发明的加装棱条型破冰装置的直立结构俯视图。

图2为本发明提出的加装破冰装置前后直立结构的冰载荷对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图1及实例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解 释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1(a)和图1(b)，本发明包括以下部分：钢条类型的选择、分布和破冰 装置的加固。

本发明的具体实施过程如下：

(1)钢条类型的选择：包括钢条的材料、截面形状和尺寸。应选择具有抗腐蚀 性的角钢材料，如316L不锈钢，可用于海水中的建筑材料和生产设备。钢条的 尺寸需根据具体应用海域内的平均冰厚设定，冰厚较大时应选取截面面积较大 的钢条。根据海域内水线的浮动范围确定棱条的长度。本发明以渤海JZ 9-3平 台为例，直立桩腿直径为1.5m，海域内平均冰厚约为0.2m。由此选取三角形截 面的钢条，截面边长a为10cm，钢条长度为3m。

(2)钢条的布点分布：由于海水的流向不断变化，冰与结构的作用方向也随之 改变。因此需要在直立结构表明均匀布点安装钢条，使得冰在不同流向下都能 与钢条发生碰撞，达到降低冰载荷的预期效果。同时钢条的布点不宜过于密集， 会造成破碎冰的堵塞和淤积，无法及时清除而再次冻结，使该破冰装置破冰性 能降低。在本发明中采用每隔20度一根的分布方式，在结构表面共布置18根 角钢构成抗冰装置。

(3)棱条型抗冰结构破冰装置的加固过程：首先将分布好的钢条采用焊接方式 固定在直立桩腿上，在上下两端再用抱箍进行加固。

为验证本发明设计的破冰装置性能，通过离散元方法建立海冰的数值模型， 并模拟海冰与装有该破冰装置的直立结构相互作用过程。该数值模型以渤海JZ 9-3平台为例，直立桩腿直径为1.5m；海域内平均冰厚约为0.2m；冰速为0.2m/s； 棱条结构尺寸的选择如上所述。加装破冰装置前后的冰载荷对比如图2所示。 图2表明冰与结构相互作用时间为11.5s到13.5s内，加装破冰装置后冰载荷的 幅值变化范围明显减小，可见破冰装置有效的降低冰载荷及冰激振动的影响。

Claims (5)

1.一种改进海洋平台结构中直立桩腿破冰性能的破冰装置，其特征在于，在原有直立桩腿的表面、沿直立桩腿竖直方向安装有棱条型抗冰结构。

2.根据权利要求1所述的破冰装置，其特征在于，所述的棱条型抗冰结构由三角形截面的钢条构成。

3.根据权利要求1或2所述的破冰装置，其特征在于，所述的钢条按照圆周上每20度一根均匀焊接于直立桩腿表面，共18根构成棱条型破冰结构。

4.根据权利要求1或2所述的破冰装置，其特征在于，所述的钢条的截面尺寸根据直立桩腿的直径确定，钢条的长度和加固位置由水线位置确定。

5.根据权利要求3所述的破冰装置，其特征在于，所述的钢条的截面尺寸根据直立桩腿的直径确定，钢条的长度和加固位置由水线位置确定。