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。     

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.     

附加重量缓波立管数值分析

对浅水海域使用的新型附加重量缓波立管进行数值计算,分析管内流体密度对柔性立管的动力特性影响,进行附加装置对立管平面外运动影响的分析,同时引入一种模型简化的计算方法,结果表明,内流密度对立管位形、最大曲率和最大有效张力的影响较大,附加装置的应用减小了立管碰撞的概率,同时发现该模型简化方法不仅计算准确,而且易收敛、计算时间短。     

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。     

裂纹损伤下新型复合立管的剩余强度研究

正确评估裂纹损伤对新型复合立管极限承载力的影响越来越成为重要的研究课题,对立管的维护、延寿都起到重要的指导作用.文中主要运用ABAQUS有限元软件,分别讨论了裂纹尺寸、腐蚀壁厚参数的变化对立管极限承载力的影响.结果表明:裂纹长度对极限强度的影响要大于裂纹深度的影响,且裂纹尺寸越大,极限承载力下降越快;此外,腐蚀壁厚量为15%时的极限强度比未损伤时下降了44. 74%.     

深海立管固有频率影响因素分析

当深海立管自身的固有频率与由立管的顶张力、自重以及波浪共同作用下产生的振动频率相近时,立管会发生耦合共振,导致立管的损伤甚至失效。采用数值模拟的方法研究了立管的边界条件、本身物理参数和顶端张力等因素对立管固有频率的影响。在Abaqus软件中建立了简化的立管模型,并比较、分析了立管在3类不同边界条件下的立管振动特性。然后,在第3类边界条件的基础上,分析了上述因素对立管1阶固有频率的影响。最后,基于上述研究工作,得出结论。     

深水悬链线式柔性立管参数敏感性分析

针对柔性立管所处的深水环境,选取应用较为广泛的悬链线式布置方法,在特定的海洋环境中,在大型有限元软件OrcaFlex上建立悬链线立管模型进行动力分析。选取悬挂角、立管末端锚固点位置和管内流体等关键参数进行参数敏感性分析。结果表明:悬挂角的变化对立管顶部曲率有作用,但立管底部曲率和最大张力对悬挂角的变化不敏感;立管末端锚固点位置变化对立管动力响应有明显影响,布置立管时需重点考虑;立管曲率和弯矩对管内流体密度及流速的变化不敏感,但立管最大张力随管内流体密度的增大而减小,随管内流速的增大而增大。     

深水顶部预张力立管管中管结构强度参数敏感性分析

通过分析立管结构的受力控制方程,使用非线性时域分析软件Orca Flex建立管中管结构的有限元模型,分析生产TTR在正常操作状态时,不同顶部张力系数、不同波高和谱峰周期对立管强度的影响,并根据API RP 2RD规范校核管中管结构外管和内管的应力。结果表明,随着顶部张力系数增加,外部套管有效张力和等效应力均增大明显,内管改变不敏感;当波浪周期逼近平台运动周期,随着波高的增加,外管的有效张力和最大等效应力均增加,内管微幅变化;校核API规范,立管结果满足要求。认为在顶部预张力立管校核时,应对其进行敏感性分析,协调多个参数以使其性能达到最优。     

双层立管在船舶撞击作用下结构行为分析

以船舶与立管碰撞为研究对象,采用三维有限元模拟碰撞过程,显式动力求解分析双层立管在侧向碰撞作用下的结构行为,得到碰撞过程中撞击力、结构响应、损伤变形等一般性规律,计算分析了边界约束条件、撞击质量、撞击速度、立管内压以及轴向预拉力参数的影响.结果表明,边界条件对于结构的固有频率、撞击力、结构损伤变形影响较大;撞击质量及速度是决定撞击力及变形的最主要的因素;内压的存在使得最大撞击力变小以及立管局部变形变小;在一定范围内的轴拉力越大,碰撞引起最大撞击力越大,整体变形反而变小.     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明:与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出:横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

浮筒单点系统缓波式柔性立管疲劳分析

将非黏结性柔性立管应用到浮筒式单点系统中去,借助ORCAFLEX软件建立浮筒式单点系统的耦合分析模型。利用ABAQUS软件研究柔性立管各层在张力和弯矩作用下的应力分配,得到内抗拉层和外抗拉层的应力系数,进而对立管进行浪致疲劳和涡激疲劳分析。结果表明:该系统中柔性立管的疲劳寿命主要取决于内层抗拉层,最大疲劳损伤出现在限弯接头与立管连接点附近,张力影响因素对该点的疲劳损伤影响大于曲率影响因素。     

表面粗糙度对立管涡激振动响应影响的试验研究

应用模型试验的方法,研究了表面粗糙度对立管涡激振动响应特性的影响规律,对不同粗糙度条件下立管所受拖曳力、升力、端部张力、漩涡泄放频率、结构振动响应频率、位移响应等参数的变化规律进行了对比分析。结果表明：与立管横向振动相比,立管流向振动更早出现锁定现象,因此当折合速度较低时,立管流向振动的涡激振动响应要大于横向振动。立管张力均存在两个峰值频率,其中一个峰值频率为主导频率,与拖曳力主导频率吻合,由流向涡激振动所产生;另一个峰值频率为主导频率的一半,与升力主导频率吻合,由横向涡激振动所产生。因此可以看出：横向涡激振动与流向涡激振动通过张力作用而相互影响。与光滑立管相比,表面粗糙度降低了立管的涡激振动位移响应,减小了涡激振动的锁定区域,但提高了漩涡泄放频率。对于不同粗糙度下的粗糙立管,随着粗糙度的增加,立管的锁定区域开始点逐渐提前,锁定结束点逐渐推迟,锁定区域逐渐变宽。     

S-spar平台垂荡板数目确定及立管系泊系统耦合分析

考虑到目前S-spar平台垂荡板数目是参考Truss Spar平台3块垂荡板的设计,而未结合平台本身特性进行深入研究,因此基于SESAM对S-spar平台进行频域分析,确定S-spar平台采用4块垂荡板更为合适。在4块垂荡板的S-spar平台频域分析的基础上,对系泊系统及立管进行耦合分析,对比有无立管情况,发现考虑立管后平台各自由度上运动显著减小。为解决立管张力过大的问题,在立管上安装浮子,讨论浮子位置、浮子浮力对立管张力的影响,确定安装500 k N的浮子在距立管悬垂段距顶端65%处为最优方案。     

基于张力腿平台的顶张紧式立管碰撞分析

基于张力腿平台(TLP)的顶张紧式立管(TTR),在平台运动、波浪及海流的联合作用下,相邻的立管可能发生碰撞并对其承载能力造成影响,有必要深入研究TTR在恶劣海况下的碰撞行为。采用有限元软件对两根生产立管进行数值模拟,设置两管碰撞前弯曲及后续动态碰撞两个分析过程来模拟TTR的碰撞行为;采用碰撞参与长度公式确定了TTR碰撞的接触区域。研究重点分析了立管碰撞前弯曲变形对碰撞结果的影响,为深水刚性立管局部碰撞行为的研究提供了方法。     

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。     

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。     

张紧器的结构参数对顶张式立管动力响应的影响研究

本文针对带液压气动式张紧器的顶张式立管,综合考虑浮式平台-张紧器-立管之间的运动关系、液压气柱的张力-冲程非线性关系、立管的真实截面布置以及采油树的作用,建立更加符合工程实际的三维有限元分析模型,并通过与实验结果对比验证了该模型的正确性。基于该有限元模型,研究了张紧器的结构参数对顶张式立管动力响应的影响。结果表明:活塞和活塞杆的直径以及高压气体的初始压强对立管的动力响应影响最大;低压气体的初始压强以及液压气柱和立管之间的夹角对立管的动力响应也有重要影响;在相同的环境条件下,高压气体和低压气体的初始体积对立管的动力响应的影响较小。     

张力腿平台二阶波浪力作用下运动响应分析

以延伸式张力腿平台为例,采用时域耦合分析法研究二阶波浪力对船体以及张力腿、立管的影响.在频域下计算船体结构一阶与二阶波浪力的传递函数,进而在Deepc中模拟海域的波流条件,考虑低频和高频波浪的影响,得到张力腿平台的动力响应和张力腿、立管的动张力值,并与线性的计算结果进行比较,认为在确定张力腿平台锚链的极限承载力和疲劳寿命时,应考虑高频二阶波浪力的影响.     

上凸型内孤立波场中顶张力立管极值响应分析

为研究上凸型内孤立波作用下立管的响应问题,建立了顶张力立管在上凸型内孤立波场中的运动方程,流体作用力通过Morison方程求解,上凸型内孤立波引起的速度和加速度用两层流体KdV方程计算;采用有限元法离散控制方程,并用Newmark-β法在时域内求解。通过数值模拟探索上凸型内孤立波作用下顶张力立管的位移、弯矩、应力、顶底端转角等极值响应规律,并分析内孤立波幅值、上下两层流体密度差、顶部张力及壁厚对立管响应的影响。研究结果表明,上凸型内孤立波会引起顶张力立管的位移、弯矩、应力及顶底端转角显著增大;由于上凸型内孤立波引起的海水剪切作用剧烈,导致上下两层流体中立管位移反向。     

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.