南海自由站立式立管设计与分析

自由站立式立管可作为南海油气开发的立管形式。根据设计参数建立自由站立式立管系统模型,根据南海某油田环境参数校核立管各工况下的强度结果并进行疲劳分析,探讨自由站立式立管动态强度与疲劳特性并验证是否满足规范要求。分析结果表明：该立管设计满足规范中的强度与疲劳要求,且疲劳性能较好;立管等效应力最大处为立管主体顶部应力节下端;最危险浪流方向为沿立管向平台方向;立管主体应力水平受平台运动影响较小,受顶部张紧力以及海流大小影响较大;疲劳损伤最大处位于立管主体顶部,且涡激疲劳损伤大于浪致疲劳损伤。     

基于谱分析法的单点浮筒疲劳强度分析

为了解单点系泊浮筒的疲劳强度和浪向对其疲劳损伤的影响,基于Miner线性累积损伤理论,采用谱分析法对单点浮筒进行波浪载荷预报和疲劳强度评估,结果表明,关键节点的疲劳寿命满足设计要求;迎浪和斜浪对关键部位的疲劳损伤贡献较大;危险节点在固有频率为1.5 rad/s左右的波浪下的应力响应较大。     

波致立管疲劳损伤计算方法研究

针对波浪作用下平台运动引起的立管疲劳损伤,进行完整的频域计算方法研究。首先采用势流理论对平台的运动响应进行分析,求得平台的运动频响函数;接着采用有限元法对立管的应力响应进行分析,求得立管的应力频响函数;最后,结合立管材料的S-N曲线,采用谱分析方法对四种不同海况下波致立管振动引起的疲劳损伤进行分析,获得损伤沿立管轴线方向的分布曲线。研究结果表明：波致立管振动疲劳损伤与有义波高密切相关,疲劳损伤值随着波高的增加成指数次方增长;立管的最大疲劳损伤值通常出现在立管的边界区域。     

无粘结柔性管抗拉伸层结构分析

柔性管抗拉伸层是复杂的空间螺旋线结构,其结构响应分析对柔性管疲劳分析、强度分析和屈曲分析有重要作用。文章基于曲梁理论,应用斜驶螺旋线假设和测地线假设两种空间曲线公式,以空间细长杆理论及胡克定律本构方程为基础,采用格林应变张量与第二Kirchoff应力张量度量,对深海无粘结柔性管抗拉伸层螺旋形钢缆结构平衡方程进行了推导,编写了分析程序。利用该程序,分析了抗拉伸层钢缆在轴对称载荷下和弯矩作用下的曲率变化和结构响应;同时利用三维直梁有限元模型与曲梁有限元模型建立数值模型,将程序结果与数值模拟模型结果进行了对比,证明了结果可行性。该结果可为柔性管抗拉伸层结构设计提供快速的预估计方法。     

钢悬链线立管整体干涉分析研究

深水海洋立管具有柔性,特别是极端海况条件下,相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力,从而影响其疲劳寿命.钢悬链线立管相比顶张力立管,有效张力较小,对环境载荷作用更加敏感,更容易发生碰撞.基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型,从允许碰撞的角度出发,对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析,研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响,阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律,为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考.     

顶张力对深水刚性立管涡激振动及疲劳损伤的影响

分析讨论顶张力对深水刚性立管在剪切流中的涡激振动响应和疲劳损伤的影响。从理论上分析张力对刚性立管固有特性的影响,并利用OrcaFlex软件建立数值模型,模拟不同顶张力系数下立管于剪切流中的涡激振动响应,同时采用S-N曲线法计算立管疲劳损伤。结果表明,顶张力对立管的影响直接体现在刚度上,立管刚度随着张力的增大而增大,因此顶张力对降低立管疲劳损伤有一定积极作用。但是随着顶张力的增大,其对降低疲劳损伤的贡献越来越小,而对立管强度储备的危害却逐渐增大。     

塔式立管涡激疲劳损伤敏感参数研究

针对西非海域的塔式立管,考虑沿水深变化的不同流速截面,分析塔式立管在不同参数下的涡激振动响应及疲劳损伤沿管分布,讨论立管顶部张力、管内流体密度、立管外径、立管壁厚和SHEAR7能量阈值等参数的变化对疲劳损伤的影响.结果显示,由于制造和安装误差等因素导致这些参数的改变,对结构的涡激振动疲劳损伤影响显著,应该在工程设计中引起注意.     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响。借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟。通过与试验结果对比验证了该方法的可行性。同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤。研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注。     

平台运动下悬链线立管涡激振动响应特性分析

悬链线立管会在半潜平台运动带动下出现涡激振动现象,对立管疲劳寿命造成影响.借助海工结构物动力分析软件Orcaflex建立立管模型,使用Iwan-Blevins尾流振子模型进行数值模拟.通过与试验结果对比验证了该方法的可行性.同时建立实尺度悬链线立管模型,并考虑背景海流的影响,分析平台垂荡、纵荡运动下的立管涡激振动响应和疲劳损伤.研究表明,平台运动产生的非定常流场将引起悬链线立管发生涡激振动现象,并在背景洋流激励的基础上增大疲劳损伤,在立管结构实际工程设计时应予以关注.     

基于CFX的配置浮筒海洋立管涡激振动研究

运用CFX软件对4种不同浮筒覆盖率下的深水立管涡激振动进行模拟,验证大涡模拟在配置浮筒立管研究中的可行性。结果表明,浮筒覆盖率越大,立管均方根响应幅值越大;在不同的浮筒覆盖率的情况下,海洋立管的主要振动响应频率与浮筒所支配的涡泻频率和立管所支配的涡泻频率有关,浮筒覆盖率较小进行高频运动,浮筒覆盖率较大进行低频运动;数值模拟的均方根位移与模型试验的的均方根位移相符合,数值模拟的振动响应频率范围与模型试验的频率响应范围一致,对配置浮筒的海洋深水立管运用大涡模拟是可行的。     

自浮式与浮筒式排泥管的稳定性和抗风浪能力的比较研究

本文对自浮式和浮筒式排泥管的稳定性和抗风浪能力进行了比较研究。结果表明，自浮式排泥管的稳定性和抗风浪能力均优于浮筒式排泥管，在相同的动力条件下自浮式排泥管的扭矩只为浮筒式排泥管的3／5，而系缆力仅为浮筒式的1／2－2／3。同时，钢材用量仅为浮筒式排泥管的40％，因此，自浮式排泥管具有很好的推广应用前景。     

深水FPSO立管导管及基座结构设计分析

以一艘深水超大型FPSO柔性动态跨接软管的导管及基座结构为例,介绍立管导管及基座的总体布置和详细设计对基本设计的优化.立管导管及基座结构设计考虑了FPSO在位操作、极端环境、跨接软管海上安装、立管事故、FPSO船舱破损和远洋拖航等工况.按某石油公司企业标准要求开展了立管关断阀油气泄漏扩散、燃爆连锁风险定量分析,确定了立管导管及基座结构设计爆炸超压,分析了立管导管及基座结构抗爆炸事故工况的强度,进行了立管导管及基座结构被动防火设计.基于疲劳累积损伤的分析方法,预报了立管导管及基座结构的疲劳寿命.     

基于长期分布累加法的单点疲劳寿命预报方法

针对FPSO单点区域复杂的载荷情况,提出一种单点结构在受到环境载荷和FPSO船体载荷作用下的疲劳计算分析方法,根据单点所受载荷的长期分布数据及各种载荷对应的载荷应力比,在线性假设的前提下,通过长期分布累加法对单点或船体结构进行疲劳累计损伤计算,最后得出疲劳结果,该方法不仅适用于单点及界面附近船体结构疲劳计算,也适用于多点系泊系统等界面载荷长期分布复杂的局部船体结构疲劳计算。     

弹性模量对深海立管涡激振动疲劳损伤的影响

K.Vikestad文章中预报出的立管疲劳寿命特别长,经过仔细校核发现作者用于计算的弹性模量与试验值不同.是否这一错误会导致疲劳寿命的重要差别,本文对这一问题做了进一步研究.本文采用了与上述文章中类似的方法来重新计算立管的涡激振动疲劳损伤.利用作者所在课题组开发的涡激振动预报程序来确定立管动力响应,并假设涡激振动引起的长期应力范围分布是Rayleigh分布,运用Palmgren-Miner线性累积损伤准则来预报海洋立管涡激振动疲劳损伤.和依据试验测量数据计算得到的疲劳损伤以及ⅤⅣANA预报的结果比较表明,本文的预报方法是合理的.研究表明上述文章中过高的疲劳寿命是由错误的弹性模量引起的.结果显示,立管的弹性模量对于涡激振动疲劳损伤是个重要的参数.弹性模量越大,疲劳寿命越低.     

深水立管柔性接头橡胶-钢粘结界面端应力场分析

弹性体为深水立管柔性接头关键部件,与主体结构粘结的界面端附近为易发生损伤部位,针对其破坏机理问题,采用有限元软件ABAQUS对橡胶-钢粘结界面端的应力场及其影响因素进行分析,结果表明:橡胶-钢粘结界面端附近应力场存在明显的应力集中现象,并在θ=60°这一路径上的应力最大;改变界面端结合角可以影响橡胶-钢粘结界面端应力大小,但影响很小。     

非粘结柔性立管静态分析

海洋柔性立管因材料和结构上的复杂性在设计分析中存在许多技术难题。本文在变形能原理和能量守恒的基础上,推导出了柔性立管各层的刚度矩阵。将各层刚度矩阵进行叠加,得到柔性立管总体刚度矩阵,并用总体刚度矩阵求解静载荷作用下立管变形响应。同时基于ABAQUS软件建立八层非粘结柔性立管有限元模型,并将有限元计算结果和刚度矩阵计算结果进行比较。结果分析表明：运用推导得到的刚度矩阵求解静态载荷下立管的变形是一种简便且准确的方法。     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。     

TLP平台垂荡运动对立管疲劳寿命的影响

针对海洋平台与立管接头的非线性特征,就TLP平台的一阶与二阶垂荡运动及其对立管上端点耦合产生位移,在考虑平均应力影响的基础上,基于DNV,ABS与UK等船级社规范提供的S-N曲线,讨论立管的疲劳问题.采用Goodman模型与Gerber模型进行有效循环应力分析与对比.从4种非线性接头对于立管上端点的动应力影响来看,接头节点的非线性特征,对立管应力影响较大.考虑平均应力影响,从2个模型(Goodman和Gerber)的比较来看,Goodman模型考虑平均应力影响相对保守;从平台的一阶、二阶垂荡对立管上端点的影响来看,一阶垂荡过程中,最大应力点在触地点,二阶垂荡最大应力点为立管上端点;从疲劳损失程度来看,二阶垂荡运动对疲劳寿命影响较大;从3个船级社的S-N曲线来看,DNV的S-N曲线偏于保守,ABS的其次,UK的S-N曲线得出的疲劳寿命最长.     

深海悬链线输油立管涡激疲劳计算分析

钢质悬链线式立管的涡激疲劳损伤是影响其寿命的主要因素之一.文中将悬链线立管简化为忽略剪切力的索模型,对悬链线立管进行模态分析,考虑流体附加质量的影响,得到其在海水下的频率和振型.根据斯托劳哈尔关系和外部流速大小的范围确定潜在的激励模态范围,并通过计算潜在模态的能量确定主要激励模态.根据能量平衡,求出升力系数和阻尼系数,从而计算出立管各阶模态下的模态力和模态阻尼.再利用模态叠加法对悬链线立管进行动力响应分析.并以2 300 m Spar平台的悬链线输油立管为例,计算了其在北海某流速作用下的疲劳损伤,所得结论对工程应用有一定的借鉴意义.     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤分析

针对钢悬链式立管的特点,采用了简化后的振动模型,在ANSYS的CAE模块中根据悬链线方程建立了立管的有限元模型,并对立管进行了模态分析。通过对前若干阶模态进行后处理,得到包括归一化振型、斜率以及曲率的模态输入文件,将此模态文件输入SHEAR7中,进行涡激振动分析,计算出立管年疲劳损伤率。计算结果表明:立管的疲劳损伤沿着立管轴线方向呈振荡性质,且最大疲劳损伤出现在边界区域,随着水流速度的增大,立管的疲劳损伤的峰值呈上升趋势。