顶张式立管液压气动式张紧器的模拟方法

综合考虑液压气柱的张力-冲程非线性关系、液压气柱与立管之间的夹角以及平台-张紧器-立管之间的耦合关系,研究顶张式立管液压气动式张紧器的不同模拟分析方法。选取3种典型工况,对不同张紧器模拟方法下立管的动态响应进行仿真计算,分析比较不同模拟方法的科学性和适用性。结果表明:在顶张式立管分析过程中,张紧器的合理模拟至关重要,是否考虑液压气柱和立管之间的夹角对立管响应的影响不大;恒定集中力模型不能反映立管张力的变化规律,而且立管响应也存在较大差别,故不宜采用;线性模型可用于平台运动幅值较小的情况;非线性模型最能反映张紧器的刚度特性,且在极端载荷环境下尤为适用。     

顶张式立管液压气动式张紧器的数学模型

以顶张式立管液压气动式张紧器为研究对象,考虑张紧器中的摩擦、活塞和活塞杆的质量以及油管内的压力损失等因素,建立较为完善的张紧器张力的数学模型。通过静力和动力两种加载方式,将论文建立的模型与工程中常用的简化模型作对比研究,对张紧器的影响因素和张力特性进行分析。研究表明,简化模型计算得到的张力较实际张紧器的张力偏大。低压氮气的压力、活塞和活塞杆的重力和惯性力、摩擦力以及油管内的压力损失对张紧器的张力具有重要影响,在张力计算时应恰当地予以考虑。     

考虑平台作用的顶张式立管动力分析

上层浮式平台的运动幅度比固定式平台大,对立管的影响更明显.为了解平台对顶张式立管动力的影响,提出一种动力分析方法.在一定的条件下建立立管的数学模型,采用软件Tube2D对平台和立管进行动力响应和弯曲应力分析,得到考虑平台作用的立管扶正器布置间距参数的敏感性和立管弯曲应力的变化.结果表明:对于考虑平台作用的立管模型而言,内套管与油管在立管上部更容易发生碰撞,从避碰的角度考虑,应适当减小立管上部扶正器的布置间距;各层立管的弯曲应力按弯曲刚度之比分配的结果与实际计算结果不符,应根据耦合立管模型的计算结果对各层立管进行强度校核.     

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。     

立管横流-顺流双向涡激振动数值预报方法

海洋立管涡激振动属于典型的流固耦合问题,涡激振动在横流及顺流方向上会同时发生并存在耦合效应.在以往的相关研究中,常忽略顺流向振动或将横流及顺流向振动响应间相互作用进行弱化.本文以顶张式立管为研究对象,基于圆柱体双自由度受迫振动试验数据,使用有限元方法和能量平衡方程建立涡激振动频域预报模型.该数值模型能够同时得到立管在横...     

深水立管涡激振动非线性响应及疲劳分析

对于深水立管,研究其在均匀流作用下,考虑流固耦合时的涡激非线性动力响应及疲劳损伤分析。采用有限元方法,建立立管模型。计算均匀流产生的升力时,考虑流体速度与立管之间的相对速度。利用Newmark-β法对立管进行时域内的涡激响应分析,同时通过幅值谱对立管进行频域内的分析,得到涡激振动的主要模态。     

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。     

波流耦合作用下海洋柔性立管防弯器动力响应数值分析

基于三维动态时域分析软件OrcaFlex建立防弯器与立管耦合响应模型,对柔性立管防弯器在波流耦合作用下的动力响应进行了参数敏感性分析,结合分析结果对柔性立管防弯器系统进行优化布局,并分析了流向变化和浪向变化对弯矩的影响。结果表明,靠近立管与浮体或水下设备固结点的曲率和弯矩大,随着远离固结点,曲率和弯矩呈递减趋势。海流方向变化对立管和防弯器曲率和弯矩的影响较浪向变化更大。底部立管和防弯器弯矩高于顶部,需格外注意。防弯器曲率与立管曲率基本一致,但弯矩高出很多,达到了防弯器保护立管承载过度屈曲的目的。     

内流对顶张力立管动力响应影响分析

文章分析了内流对顶张力立管在波浪和海流激励下的动力响应的影响.考虑内部流动流体的动能采用功能原理建立了立管的运动控制方程.然后采用伽辽金有限元法得到了非线性矩阵方程,并在时域内编制了相应的求解程序.最后对立管的动力特性和动力响应进行了详细分析,主要分析了内流等对其的影响.结果发现内流对动力响应有重大影响,其影响在分析中不可忽略.     

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。     

张力作动筒高架索恒张力控制系统仿真

张力作动筒是舰船海上航行横向补给装置维持高架索恒张力的关键系统。通过建立张力作动筒高架索恒张力控制系统数学模型,利用Matlab/simulink软件建立仿真模型,对舰船横向标准恒张力补给方法(STREAM)中采用的张力作动筒系统进行仿真分析。通过对影响高架索张力波动的主要设计参数的仿真分析(如储气罐容量、空气和液压油流动阻力系数以及补给海况),提出相应的系统设计和使用建议:一是要保证合理的储气罐容量;二是要尽量减少液压油和高压空气的流动阻力;三是对震动敏感的特殊货物应在低海况下传输。     

Mechanical model and characteristics of deep-water drilling riser-wellhead system under internal solitary waves

Internal solitary waves with a huge amount of energy easily trigger the large dynamic responses of riser-wellhead system and threaten its structural safety. However, previous studies have only focused on the dynamic response of the riser under internal solitary waves. The riser may experience excessive traction from the platform, especially from the mooring platform, in response to the arrival of internal solitary waves. The bottom of the riser connects to the wellhead system, which in turn exerts a reaction force on the riser. To address this problem, a coupled dynamic model of deep-water drilling mooring platform-riser-wellhead system under internal solitary waves is developed in this paper. A dynamic response analysis method based on the fourth-order Runge-Kutta method and finite element method is also proposed for the mooring platform-riser-wellhead system. A dynamical solver for the coupled system is then developed using MATLAB. The dynamic response characteristics of the riser-wellhead system under internal solitary waves are calculated. Results show that the displacement and bending moment of the system initially increases and then decreases along with the propagation of internal solitary waves, and finally reach equilibrium position. The displacement and bending moment reach their peak before the trough of internal solitary waves passes through the riser-wellhead system. The dynamic responses of the riser-wellhead system under the influence of internal solitary wave loads are much larger than those without the effect of internal solitary wave loads. The riser system experiences shearing loads at the interface of internal solitary waves, which trigger a step-like bending moment variation. The bending moment of the conductor under the mudline is greatly increased by the internal solitary waves.     

安装载荷下脐带缆的抗压抵抗力参数研究

脐带缆作为水下生产系统进行油气资源开发的关键结构之一，在安装过程中的脐带缆受到动态的拉伸载荷和张紧器挤压载荷，保障脐带缆的安装下放过程的结构安全有着重要的工程应用意义。本文应用ABAQUS建立脐带缆有限元模型，充分考虑脐带缆内部各构件之间的相互作用，研究不同张紧器角度与不同摩擦系数下脐带缆的抗压抵抗力性能。结果表明，张紧器与脐带缆之间的摩擦力随着摩擦系数、和张紧器夹角增加而增加，基于此提出可通过优化张紧器夹角及张紧器与脐带缆间的摩擦系数来降低深水对于脐带缆安装的限制。     

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。     

Characteristics of VIV in multi-degree-of-freedom tensioned beams using a numerical method

The object of this study is to analyze the characteristics of vortex-induced vibration of a slender marine structure with the numerical method. Applying a dynamic analysis method for a slender marine structure based on the 3D finite difference method, we carried out case studies for a tensioned beam model at a constant flow speed. The hydrodynamic forces, in the direction of inline and cross-flow, created by vortex shedding are simultaneously considered based on Morison equation. The frequency of force in the inline direction corresponding to the unstable zone is evaluated. An eigenvalue analysis for different flow speeds of a tensioned beam considering the effect of the tension increase due to the inline and cross-flow drag forces is performed. We found that a revision of the eigenvalue should be considered if the tension along a riser or beam is significantly affected by an environmental or functional load. From a trajectory on the XY plane it was shown that the riser did not move in an exact 8 shape for all flow conditions due to the phase angle difference between inline and cross-flow displacement. It is believed that the phase angles between inline and cross-flow displacements in high modes are different among the nodes.     

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.     

Probabilistic assessment of parametric instability of a top tensioned riser in irregular waves

A reliability analysis was used to investigate the parametric instability of a top tensioned riser (TTR) operating under irregular sea conditions. In practical applications, the parametric instability evaluation of a riser is a very difficult task, owing to uncertainty of various parameters such as the environmental conditions of the load, the structural geometric parameters, and material properties. Considering the uncertainties of these parameters, it is vital to adopt a probabilistic approach in evaluating the instability. In this work, the Hill equation of a TTR operating under real sea conditions is first derived, and the corresponding stochastic external excitation is obtained using the Pierson–Moskowitz wave spectrum. The effects of various random variables on the parametric instability are studied by a sensitivity analysis. A surrogate model is used to construct the response surface for assessing the reliability of the parametric instability of the riser. The distribution regularity of parametrically unstable cases is examined using the contour of the parametrically excited responses. The effect of three significant uncertain factors on the probability of the parametric stability is investigated using the surrogate model. The proposed approach is demonstrated to be efficient for evaluating the reliability of the parametric instability of a TTR.