深水钢悬链线立管顺流向非线性动力分析

深水钢悬链线立管在外部流体作用下的动力响应在立管的性能优化设计中是非常重要的.文章考虑了深水钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型.将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应.探讨了外部流体的非线性作用力对海洋立管顺流向动力响应的影响以及不同流速和拖曳力系数与海洋立管共振响应幅值的关系.     

随机波浪和涡流联合作用下海洋立管多频参数激励振动响应

针对随机波浪和涡流联合作用下海洋立管多频参数激励振动响应,本文通过欧拉梁理论和Galerkin方法建立了立管运动控制方程;结合Pierson-Moskowitz波浪谱,利用线性波浪理论和随机相位谱法构造随机波浪力时域激励,并与真实海洋环境相匹配;建立了随机波浪和涡流激励联合作用下顶张力立管分析模型;通过两个验证模型,将本文提出的计算方法与已有数值计算方法及试验进行对比分析,对其有效性进行评估;对单频和多频激励下获得的动力响应、频谱响应和关键参数敏感性等进行比较分析及讨论。与已有的简谐激励方法相比,本文所提出方法可以更合理、准确地分析在实际海洋条件下立管的动力响应。     

顺应式垂直通路立管的动力响应优化研究

海洋立管的动力响应优化要考虑复杂的环境载荷,如波浪、流以及浮体运动,有时还需考虑立管与海床的耦合作用,这个过程需要执行大量耗时较大的有限元分析,从而使动力优化的工作进展困难。针对此问题,本文将近似模型技术运用到FPSO的顺应式垂直通路立管（CVAR）的动力响应优化问题。优化以壁厚、管径等几何参数作为变量,优化目标是使总重量最小及等效应力在许用应力水平之下。研究给出了3种近似模型方法的比较分析,使得优化结果更具有可靠性。结果表明,3种近似模型方法的优化效果和效率彼此都非常接近,并且都能在CVAR的优化效果和减小耗时方面有出色表现。     

海洋管线动力分析

海洋管线广泛用于海洋工程领域,是一种运输石油和天然气的重要挠性构件,在波浪、流等动力因素作用下容易产生显著的动力响应。本文在忽略转动惯量和剪切应变的情况下介绍了2种用于海洋管线静动力分析的模型:局部坐标下的通用解析模型和三维凝聚参数模型。采用四阶龙格-库塔法积分运动方程,并计算一个实例验证了第二个模型,此模型还可以用于系泊缆、刚性或柔性立管等细长结构的动力分析。     

波浪冲击作用下海洋结构物的动力响应

通过对海洋结构物在波浪冲击作用下动力响应的试验研究,分析了波浪冲击作用下结构物最大动力响应及出现的时间。基于Fourier变换的频谱分析,得到了波浪冲击荷载作用下平台结构的水平和竖向振动特性。当入射波频率接近平台水平固有频率时,在水平方向会产生共振。结构物模型竖向刚度较大,试验中竖向不发生共振。     

海洋深水立管最小壁厚计算方法

深水立管钢管的壁厚是决定钢管承受安装和操作期间内、外荷载作用的关键因素,也是影响工程费用的关键因素,深水海洋立管因其受外部静水压力和内部介质压力共同作用,而使其在壁厚计算上与浅水海洋立管壁厚计算不同,且所遵循的规范也不同.本文以API RP2RD为基础,以SCR立管结构型式为例,简要介绍海洋深水立管壁厚计算中应主要考虑的设计因素和计算方法,供海底管道设计者参考.     

基于顶部张紧式立管动力分析的关键参数研究

文中提出了一种适用于工作于南中国海张力腿平台(TLP)的顶张紧式立管(TTR),并利用有限元软件ABAQUS/AQUA对该立管进行了模拟分析,计算用以预测立管波浪飞溅区和立管下部区域在波浪以及平台联合作用下的影响。计算时采取时域计算方法,计算过程中考虑了几何非线性的影响。并在计算完成TTR在位动力分析的基础之上,做了一定量的参数敏感性分析,重点考察立管侧向位移,弯矩以及等效应力水平对TTR一些重要参数的敏感性。结果表明,计算顶张力TTR动力分析时,必须考虑平台侧向位移跟轴向位移的耦合作用,立管响应受其顶部TLP平台以及张力比TTF的影响较大。随着立管顶部张力比TTF的增加,立管的变形逐渐变小,但顶部张力的增加同时增加了立管内部的等效应力,立管设计时应充分考虑到这两者之间的"平衡"关系。     

海洋平台垂荡作用下立管的非线性涡激振动特性研究

立管是海洋工程中常用的一种典型细长体结构物，研究立管在海洋平台垂荡和内外流体共同作用下的非线性动力学特性具有重要的学术意义和应用价值。本文采用Hamilton原理和Galerkin方法建立了顶张力立管的二维非线性动力学模型，将平台垂荡运动模拟为随时间变化的顶端张力，研究海洋平台运动和立管非线性涡激振动的耦合位移响应。研究结果显示，增加顶张力可以改变结构的固有频率，在可变张力作用下，立管的位移响应在相邻模态之间可以相互转换。通过与已有实验数据进行对比，验证了本文分析方法和数值计算结果的合理性。本文研究结果可为海洋立管的非线性涡激振动分析提供理论参考。     

波浪与带有窄缝结构作用的非线性数值模拟

针对波浪与带有窄缝结构作用产生的流体共振问题,采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法并在窄缝内流体引入人工阻尼,建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维时域数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表文献的数值与实验结果对比,验证了模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了共振条件入射波浪非线性对反射波高、透射波高和窄缝内波高、及结构波浪荷载和压力分布的影响。     

海洋立管的涡激振动

海洋输流立管是海面与海底井口间的主要连接件，是海洋基础结构的关键组成部分，作为海面与海底的一种联系通道，既可用于浮式海洋平台，又可用于固定式平台及钻探船舶。立管在波浪及海流的作用下易发生涡激振动（VIV），涡激振动是深水立管设计的一个主要控制因素。对海洋立管涡激振动的工程背景、研究现状进行了介绍，对所做的研究工作进行了总结，并提出了研究中的不足之处及进一步研究的建议。     

超大型FPSO原油质量分布模拟与水弹性响应研究

FPSO在近海油气田开发中得到了越来越广泛的应用.大多数在渤海海域服役的FPSO工作在浅水海域.主尺度大与水深吃水小,直接导致FPSO水动力特性与深水条件下船舶的水动力特性有较大区别,因此采用水弹性理论研究超大型FPSO在浅水中的运动与波浪诱导载荷响应具有重要意义.浅水超大型FPSO满载时原油重量将近占载重量的80%,因此如何正确模拟原油重量分布对干结构的固有频率、广义质量和振型的计算非常重要.本文建立了基于三维水弹性理论的数值模型,开发了有限水深复合格林函数的数值计算程序模块,对一艘300K DWT FPSO在特定水深海况下的运动与波浪载荷响应进行了研究;同时采用三种方法模拟了原油质量分布.计算结果表明,不同的原油质量分布模拟方法对水弹性计算分析影响很大.     

深水管中管钢悬链线立管的非线性动力分析

立管技术是深水资源开发的关键技术之一。管中管钢悬链线立管具有同心的外管与内管，其外管提供机械保护，内管提供油气通道，内、外管之间按照一定的距离安装扶正器以保护绝热材料，在深水油气开发中具有较大的应用价值。充分考虑在位立管承受的复杂载荷条件泡括动边界、波浪与海流载荷、立管自重、海水浮力、管内外静压力），以及整体和局部非线性因素（包括摩擦、滑移、接触、间隙等），采用时域有限元软件ABAQUS实现管中管钢悬链线立管的建模与非线性动力分析。     

深海复合材料悬链线立管基于可靠度的优化设计

研究基于可靠度的方法,对深海复合材料悬链线立管进行优化设计分析。对于正交各向异性层合复合材料结构而言,叠层顺序不同、各层铺角变化以及层间厚度差异等都会影响到结构的承载能力,因此,有必要引进可靠度作为优化设计指标。首先,根据经典层合板理论计算整体模型的等效属性,建立悬链线立管整体分析模型,得到关键截面响应,以此作为局部分析模型的约束;然后,运用试验设计方法构建Kriging近似模型;最后,利用蒙特卡罗撒点方法对比分析确定性优化与可靠性优化的结果。研究表明：优化后的深海复合材料立管在满足应力强度设计的要求下可有效降低结构重量,所提出的基于可靠度的优化设计复合材料悬链线立管具有可行性。     

考虑内流和海床作用的柔性立管和钢悬链线立管非线性分析(英文)

Flexible risers and steel catenary risers often provide unique riser solutions for today’s deepwater field development. Accurate analysis of these slender structures, in which there are high-speed HP/HT internal flows, is critical to ensure personnel and asset safety. In this study, a special global coordinate-based FEM rod model was adopted to identify and quantify the effects of internal flow and hydrostatic pressure on both flexible and deepwater steel catenary risers, with emphasis on the latter. By incorporating internal flow induced forces into the model, it was found that the internal flow contributes a new term to the effective tension expression. For flexible risers in shallow water, internal flow and hydrostatic pressure made virtually no change to effective tension by merely altering the riser wall tension. In deep water the internal pressure wielded a dominant role in governing the riser effective tension and furthering the static configuration, while the effect of inflow velocity was negligible. With respect to the riser seabed interaction, both the seabed support and friction effect were considered, with the former modeled by a nonlinear quadratic spring, allowing for a consistent derivation of the tangent stiffness matrix. The presented application examples show that the nonlinear quadratic spring is, when using the catenary solution as an initial static profile, an efficient way to model the quasi-Winkler-type elastic seabed foundation in this finite element scheme.     

操作与悬挂工况下的深海立管有限元分析(英文)

近年来,在深海进行油气开发的技术进展日新月异,全世界的海洋工程公司都在用更新的科技手段努力向更深的海域拓展,向深海进军已经成为了整个海洋行油工业的总体趋势.作为连接、平台设备和海底的重要设备,深海海洋立管的设计和使川也越来越趋向标准化.该文以某深海立管为例,从操作工况和悬挂工况两个方面探讨了钻井立管的整体分析中遇到的主要问题并进行了相关的校核.该文的具体上作包括计算了立管在钻探模态下的旋转角度和应力分布,确定了操作半径、浮箱数日等要素,并根据API规范进行了校核.根据计算的结果可以看出,所选的立管在恶劣海况下的操作半径相对较小,而确定的浮箱数略多,相关结论对立管的初步设计具有较好的参考意义.     

Extreme response based reliability analysis of composite risers for applications in deepwater

As current oil reserves start to deplete, companies are looking to exploit deeper deposits. At these greater depths composite risers, with their high strength-to-weight ratio, reduce the effective tensions and bending moments compared to steel risers. However, there is still limited research into their behaviour, with one key missing element being a comparison with traditional riser designs which accounts for variances in material properties and wave loads. This paper therefore conducts a strength-based reliability analysis of composite catenary risers operating between 1,500 m and 4,000 m. A static global catenary model is combined with Classical Laminate Theory to determine the extreme response and its performance is verified against FEA. This response is evaluated with the Tsai-Wu failure criterion to determine first-ply failure. The effect of laminate moisture absorption on the long-term reliability of submerged composite-based risers is also investigated as it can cause a significant reduction in the strength of composite risers. The reliability analysis is conducted using the Monte Carlo Method, revealing that the composite risers perform well at 4000 m. The degradation in performance from moisture absorption becomes increasingly important at greater depths and needs further investigation for these applications.     

滩海石油工程建设的建议与思考

随着渤海湾各滩海油田向海上进军步伐的加快，滩海石油工程建设的工作量日益增大，工程建设的类型不断丰富，节奏不断加快。但是，由于滩海石油工程建设所处的工程环境条件、工程地质基础以及发展的现状均不同于深海海洋工程建设，因此，在开展滩海石油工程建设时须要考虑的因素往往有很大区别。介绍了滩海石油工程的建设情况，分析了在滩海工程进行过程中主要关键环节，提出了开展滩海石油工程建设的建议。     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发，提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法，实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上，设计基于立管运行响应的动力定位控位方法，实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明，所提出的方法可行，在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时，能更快地跟踪新的期望最优位置，保证钻井立管运行在安全界限内。     

超深水钻井隔水管动力分析理论研究与数值模拟

随着钻井作业向深水(500～1 500m)和超深水(1 500m以上)发展,在交变海洋环境载荷波浪力、海流力和浮式钻井平台运动的共同作用下,隔水管的动态响应更加显著.文中探讨了隔水管侧向振动的数学模型、动态特性分析中的结构与环境载荷建模技术及其非线性动力分析方法,研究并对比了不同分析方法在计算效率、计算精度和工程适用性等方面的差异.介绍了时域内应用ABAQUS软件进行超深水钻井隔水管非确定性动力分析的算法与详细流程,算例比较了不同边界条件对深水钻井隔水管动态特性的影响.研究表明,时域非确定性分析最为精确但需要时间最长,且只能采用线性AIRY波浪理论;理论上,海流主要引起隔水管动态响应的时不变部分,但该时不变部分不等同于海流引起的隔水管静态响应,一种简化方法只将海浪与钻井船运动作为动载荷而不考虑海流对动态响应的贡献;钻井船运动和波浪载荷是隔水管动态响应分析主要的动载荷,对于超深水隔水管来说,钻井船运动是首要的动载荷,其慢漂运动对隔水管性能有重要影响,而波浪仅对隔水管局部产生作用.     

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。