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1、项目名称：深海工程结构的极端环境作用与全寿命服役安全首席科学家：滕斌 大连理工大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容我国南海处于热带与亚热带、水域广阔、海底地形复杂，受到热带季风、潮流、北向暖流、南下寒流的影响，台风浪、内波等各种自然灾害频发。而深海平台系统造价昂贵，每天油气产出效益也非常高，因此保证深海工程结构在极端海洋环境作用下不发生破坏，在整个服役期内安全运行，是海洋工程研究的基本目标和根本任务。深海工程一般采用浮式结构形式，组成部分包括上部平台、系泊缆索、采油立管（或钻井隔水套管）、输油管线等等。在不同时间和空间尺度的非线性灾害环境作用下，
2、海洋平台系统将发生大幅度运动、大尺度变形、高模态动力响应、腐蚀衰变等现象，对海洋平台的安全威胁极大。因此，为了充分保证深海平台的安全，必须综合考虑各种因素，采用多种手段加以研究。本项目将首先以准确的现场资料为出发点，依据可靠的数值模拟方法和实验技术，对海洋平台系统开展全面的模拟分析；其次，依靠现场实时监测，将生产装置本身建设成为“现场实验室”，依据最详实的第一手数据，对模型模拟、实验技术做出验证与改进，实现理论-数值-混合实验-现场监测的数据同化；最后，在以上研究工作的基础上，构建能够满足我国南海深水油气开采的安全评定理论和设计准则。为了达到这一目的，有下述的三个关键科学问题需要解决：1、南海
3、极端海洋环境的工程相关特征及其模拟方法；2、深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机理；3、深海平台结构服役性能监测、原型验证与安全评定。表2是上述关键科学问题与深海工程中各种历时性问题的逻辑关系，从中可以看出这三个关键科学问题是相互衔接的，从认识、模拟外在环境因素开始，经过环境对工程结构的作用，到建立完善的实时监测技术和安全评定理论结束，全历时地涵盖了南海深水环境中海洋工程结构全寿命安全设计、作业保障的监测、评定的各个环节。这三个关键科学问题涵盖了深海油气开采工程中的主要研究内容，分属于五个研究方面。表2、关键科学问题及所涉及的核心研究内容需要解决的科学问题一、南海极端海洋环境
4、的工程相关特征及其模拟方法二、深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机理三、深海平台结构服役性能监测、原型验证与安全评定涉及的全寿命历时性核心研究内容深海环境因素工程相关特性的模拟深海平台结构系统的非线性水动力特性深海平台结构系统的非线性耦合响应深海平台结构系统的损伤与破坏深海平台结构系统的全寿命性能监测深海平台结构的安全评定与寿命预测拟设置的研究课题课题一：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法课题二：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理课题五：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定课题三：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应课题四：深海环境长期作用下平
5、台结构的累积损伤机理三个关键科学问题的主要研究内容如下：第一个科学问题：南海极端海洋环境的工程相关特征及其模拟方法南海复杂多变的深海环境作为深海开发工程设计、建设和运行的基础，是整个系统问题认识的开始，也是本项目研究的基础。南海纵跨热带和亚热带，其海洋环境由于水深面宽、地形错综、水文复杂、热带气旋活跃、季风盛行等因素造成南海畸形波、内波、台风等极端动力现象频繁发生，对深海开发工程构成严重威胁。在本项目中，要结合已有的海洋环境和气象等长期观测资料对南海整体环境加以深刻认识并提出有效的模拟方法，其核心是风、浪、流等环境因素及其相互关系的工程化模型，尤其重要的是各种极端环境因素；要着重分析我国南海各
6、极端环境与海洋工程相关的特征、内部结构及其模拟方法，包括：畸形波、内波、海流、台风及台风浪的耦合；探寻它们的形成机制、演变过程、破坏作用特性和时间变化特征等物理性质，建立各自模型及其相关的耦合模型。第二个科学问题：深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机理这是本项目的关键，起纽带作用，只有将与海洋工程相关的海洋环境特性准确地通过数学模拟方式作用于深海平台结构系统（包括其柔性结构部分），分析其运动响应过程及损伤与破坏的机理，才能进一步开展平台结构安全评价理论体系的研究。在此问题中，一方面，要对深海平台结构系统在南海复杂环境作用下的非线性响应做出合理、可靠的模拟与分析；探寻各要素耦合
7、作用的非线性响应规律。具体开展深海极端环境对海洋平台作用的研究，畸形波浪对海洋工程结构的砰击作用和上浪的研究，探索平台结构系统的阻尼特性，分析不同时空尺度的风、浪、流、内波与深海平台、立管和锚缆系统的联合作用，建立全时域的耦合分析方法和实验方法，进行典型深海结构的长期环境作用和应力响应的数值计算和实验研究，建立深海平台结构结构应力长期分布的预测方法。另一方面，需要研究深海平台主体结构关键节点以及锚链节点等在海洋环境腐蚀要素与力学要素联合作用下的耦合损伤机制与失效机理。通过研究平台主体结构关键节点焊接残余应力场的演变规律、焊接结构的多轴疲劳损伤机理、应力集中部位的腐蚀机制、锚链节点接触面的磨损机
8、制等，建立能综合考虑多因素影响作用的平台主体结构关键节点以及锚链节点等的累积损伤耦合模型。此外，对于柔性结构，还要研究锚泊系统、深海立管、海底管道等的动力响应，建立深海柔性结构水动力模型；探寻柔性系统涡激振动的发生机理和疲劳破坏准则；开展极端环境作用下海底管道悬跨的形成机理和海底管道的动力稳定研究；进行管状构件在复杂荷载作用下的破坏实验研究和破坏机理研究，揭示海底腐蚀管道的剩余强度和管道抗力的时变特性，推进高温高压海底管道整体屈曲的研究，探寻深水管道屈曲传播发生机制和天然气海底管道延性扩展断裂破坏机理。第三个科学问题：深海平台结构服役性能监测、原型验证与安全评定对深水浮式平台的研究，其根本目的
9、是完善平台设计，保障作业安全，降低运行风险。为此，要充分利用我国南海现役平台，积极发展相关的监测技术，构建完备的监测系统，实现对南海平台的长期、有效监测。随着现场监测研究工作的不断发展和深入，不但可以对南海平台的现有结构性能进行分析，保证平台的安全工作，同时又可以对研究中形成的理论、方法和模型实验技术进行现场验证，为平台系统的安全评定和合理设计发挥重要指导作用。在此问题上，要深入分析与研究以下内容：以南海现役海洋油气工程装备为研究对象，发展我国自主的现场监测技术，建立完善、稳定的监测系统，攻克深海装备水下监测的技术难题。自主研发具有国际领先的深海特有水下传感器，包括水下锚链张力和姿态传感器、水
10、下立管涡激振动监测传感器、水下立管张力传感器等，突破水下环境数据采集、传输、水下供电、远程控制等技术难题，形成完备的深水平台监测设备体系。在南海现役平台上形成完备的浮式结构监测系统，获取海洋工程装备（浮体、系泊系统、立管系统)在作业过程中的结构动力响应；通过海洋环境监测系统对平台系统的荷载响应进行同步监测。对环境荷载和平台结构系统的响应进行深入分析，修正和完善平台结构的初始设计指标。进一步延伸现场监测结果的应用范畴，使南海流花平台现场监测系统成为海上原型实验室，为南海其他深水浮式平台建造提供依据，指导平台设计。发展和完善适合于我国南海海洋环境的自主深海装备安全评定理论和设计规范。二、预期目标（
11、一）总体目标（1）在深海工程科学技术领域，对相关理论、方法的贡献本项目将依据现场观测资料、实验室实验和理论分析相结合的方法，提出我国南海深水条件下风、浪、流、内波、畸形波等极端灾害环境的内部结构模式，流场分布规律和时间变化特性，深入开展深海工程环境因素的基础性理论研究，为我国南海深海工程结构的灾害分析提供依据。对于深海极端灾害对海洋工程结构的作用，将通过理论分析、数值模拟、实验研究和现场监测等多种手段，建立极端海洋灾害环境联合作用下海洋工程结构及其附属柔性系统的非线性大幅度运动响应的耦合分析理论、极端海洋环境长期作用下平台结构及其柔性系统的结构强度分析理论和损伤破坏理论、基于现场监测的南海平台
12、结构性能评价理论；发展海洋平台结构模型计算、实验方法、现场监测和安全分析的一整套深海工程理论体系。（2）在深海工程科学技术领域，对设计生产实践的贡献通过系统考虑南海浮式装备的结构特征，针对其设计过程中所面临的多重非线性带来数值方法上的困难和模型实验中存在的不确定性因素等问题，本项目将探寻在南海海洋平台上构建“现场实验室”，通过在海洋工程装备上布置反应浮体、系泊系统和立管系统的监测传感器，获取平台整体结构的力学响应和所承受的荷载响应，实现实时监测、全寿命监测，发展我国自主深海监测技术和独立数据分析能力，并结合本项目建立的深海平台系统相关理论，形成一套完整的技术体系，利用长期监测结果对深海平台结构
13、的设计指标进行分析，指导深海装备的设计，从而保障深海平台系统的长期“零事故”运营及可靠性，从总体上提升我国深水工程装备的设计能力和建造水平，发展适合于我国南海从300米到3000米的浮式装备设计理论。（3）对深海工程科学技术领域人才培养和基地建设的贡献本项目研究以我国海洋工程领域及其相关交叉领域的中青年学者为骨干，吸收资深专家的学术经验，广泛开展国际交流与合作，瞄准国际深海工程研究的前沿，力争培养出5位左右引领学科前沿、自主创新能力强、具有国际影响力、甚至领导力的海洋工程科学拔尖人才和15位左右面向学科前沿、具有自主创新能力、在国内有较大影响的海洋工程科学领先人才。在国内外重要学术期刊上发表论
14、文200余篇、出版专著5部、申请发明专利1020项，向世界展示中国原创性研究成果。结合教育部深海工程创新实验基地的建设，形成以深海环境要素和工程结构健康监测，海洋动力因素与深海工程结构物相互作用，以及深水工程安全评定为核心的国家深水工程研究基地，提升我国在世界海洋工程研究领域的国际地位。（二）五年预期目标(1) 我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法基于波浪、海流、风以及内波等的长期观测资料，给出南海极限波浪、水流、内波和风的长期时空分布特性，结合多尺度理论模型给出相应的极限波浪、海流、内波和风场等参数，满足深海工程的设计需要，同时根据现场观测资料实现对极限波浪、强水流、极限内波和灾害风场
15、的预报，保证深海平台的安全运营。（2）深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理建立柔性结构-流体运动-海床约束的非线性耦合动力分析模型，揭示大长细比深海结构的涡激振动机理、动力响应特性和破坏机制。建立海底管道整体屈曲和局部屈曲传播的计算模型，提出海底管道主要失效模式的控制策略。通过开展深海柔性结构在极端环境荷载、工作荷载、腐蚀等在多尺度时空因素作用下的响应和破坏机理研究，提出针对深海柔性结构的设计准则，以保证其在全服役周期内的安全性。（3）深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应建立台风、畸形波浪、洋流及内波等不同尺度极端海洋灾害环境与深海工程结构系统耦合作用的实时耦合计算分析模型，建立平
16、台结构、缆索和立管动力响应的实时模拟方法，建立波浪砰击作用下结构构件强度的计算分析方法。揭示极端海洋环境对深海工程结构的作用机理，深海平台系统在极端海洋环境作用下的响应机理。给出适应于我国南海具体环境条件的最佳平台结构形式和系泊方式。（4）深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理明确深海海洋环境中腐蚀要素及力学要素联合作用下平台主体结构关键节点和锚链节点的耦合损伤机理、损伤累积机制，揭示复杂节点结构焊接残余应力场在结构长期动力响应作用下的衰减规律，腐蚀环境下复杂节点结构疲劳裂纹的扩展规律，非线性效应对结构疲劳损伤的影响，建立综合考虑海洋环境腐蚀、焊接残余应力等多因素耦合影响的深海平台复杂焊接结构疲劳累积损伤评估方法。（5）深海平台结构全寿命性能监
