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TTR立管管中管结构非线性时域分析

在借鉴国外工程实践经验的基础上,采用多层管模型来模拟管中管结构,进行了顶张紧式立管管中管结构的非线性时域分析.多层管模型与传统的等效组合模型相比,其主要的优点在于:它可以模拟内外管之间的相互作用,而且可以通过改变扶正器的相关参数,对扶正器的大小和位置进行优化设计,以此保证内外管之间不会发生碰撞和摩擦;此外,文章还对张紧力在内外管之间的分配进行了研究,采用的管中管结构模拟技术对TTR立管在位强度分析技术PCYL单元犒管节点刚好发生的发展具有一定的指导意义.     

细长海洋立管涡激振动预报模型

涡激振动预报对于深水环境中的细长海洋结构物的设计至关重要.近年来出现的若干经验模型基于圆柱体受追振荡实验数据.文中介绍了细长海洋结构物涡激振动预报工具的发展,进而提出了一种基于圆柱体受迫振荡实验数据的预报模型.与现有的类似模型相比较,该模型更加直接地利用了原始模型实验数据,并且将立管的有限元模态分析并入到响应预报当中,以计及立管物理参数的不均匀特性.利用近期立管模型在阶梯状分布流以及剪切流中的涡激振动响应实验测量数据,验证了该模型的有效性.该模型的计算结果表明,立管的模态振型、模态频率与涡激振动响应高度耦合,并且对于低质量比的情况尤为明显.文中还指出了类似的基于受迫振荡圆柱体实验数据的预报模型存在的缺陷.     

深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析

根据我国南海、墨西哥湾和西非海域的流速沿深度方向的分布规律,利用涡激振动预报程序计算了立管在不同参数下的动力响应.在此基础上计算了立管沿长度方向涡激振动引起的疲劳损伤.分别讨论了立管顶部预张力、管内流体密度、管外流速分布、立管外径、立管壁厚等参数的变化对疲劳损伤的影响.结果显示立管顶部预张力、管外流速分布、立管外径对疲劳损伤的影响非常明显,而管内流体密度和立管壁厚因其变化范围有限,对疲劳损伤的影响没有上述三个参数显著.     

LQR control on multimode vortex-induced vibration of flexible riser undergoing shear flow

Under the actions of ocean currents and/or waves, deep-sea flexible risers are often subject to vortex-induced vibration (VIV). The VIV can lead to severe fatigue and structural safety issues caused by oscillatory periodic stress and large-amplitude displacement. As flexible risers have natural modes with lower frequency and higher density, a multimode VIV is likely to occur in risers under the action of ocean currents, which is considered as shear flow. To decrease the response level of the VIV of the riser actively, a multimode control approach that uses a bending moment at the top end of the riser via an LQR optimal controller is developed in this study. The dynamic equations of a flexible riser including the control bending moment in shear flow are established both in the time and state-space domains. The LQR controllers are then designed to optimize the objective function, which indicates the minimum cost of the riser's VIV response and control input energy based on the Riccati equation of the closed-loop system under the assumption that the lift coefficient distribution is constant. Finally, the VIV responses of both the original and closed-loop systems under different flow velocities are examined through numerical simulations. The results demonstrate that the designed active control approaches can effectively reduce the riser displacement/angle by approximately 71%–89% compared with that of the original system. Further, for multimode control, the presented mode-weighted control is more effective than the mode-averaged control; the decrease in displacement is approximately 1.13 times than that of the mode-averaged control. Owing to the increase in flow velocity as more and higher-order modes are excited, the VIV response of the original system decreases slightly while the frequency response gradually increases. For the closed-loop system, the response becomes smaller and more complicated, and the efficiency of the controller becomes lower at a certain flow velocity.     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

深水海洋工程多功能立式管线铺设系统

介绍一种集成深水柔性管与脐带缆铺设、Reel与J-lay钢管铺设、水下结构物安装于一体的多功能立式管道铺设系统构成与设备特点。该系统可以安装在一艘中小型动力定位船舶上,其显著特点是可通过可移动式张紧器和J-lay铺管作业线的设计实现多种作业模式的快速转换,从而使船舶作业功能和灵活性大为提高,对于我国深水油气开发作业装备和多功能作业船的研究及设计建造有一定的借鉴意义。     

顶张紧式立管涡激振动疲劳分析方法系统研究

涡激振动疲劳分析作为立管工程设计中重要内容,成为深水海洋工程中不可忽视的一部分。本文结合我国南海深水油气田开发前景,参考国际业界工程经验积累,基于行业国际主流分析软件Shear7系统介绍了顶张紧式立管的涡振疲劳分析流程,包括涡激振动的发生机理与理论方法,结构模型创建,流速输入转化等方面。此外通过典型算例对所提出的截面疲劳分布流速法与传统的平面投影法进行结果对比,对这种简化方法论证了其应用与参考性。文章着重分析过程细节,对工程实践中的涡振疲劳分析具有实际应用价值。