缓波型非粘接柔性立管的干涉敏感性

针对非粘接柔性立管在波浪和海流作用下易发生立管干涉的问题,以我国南海某油田输油立管和相邻锚链为例,分别对拖曳力系数、管道单位长度质量、外径、内部介质密度、立管抗拉弯扭刚度和悬挂角度等参数进行敏感性分析,得出不同参数的敏感性情况,并在此基础上提出一些建议供实际工程设计参考.     

输运流体海洋立管的动力特性

从流体的动量方程出发,考虑流体和管道的耦合,推导出输运流体海洋立管的偏微分运动方程。用Hermite插值函数和Galerkin法离散运动方程建立海洋立管动力运动的有限元模型。然后,利用该模型研究管内气柱流对固有频率的影响。计算结果表明:立管内出现气柱流时,固有频率随气柱位置的不同而明显变化。     

三类边界条件下隔水套管涡激非线性振动的比较分析

考虑流及波流联合作用,研究了套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,考虑3类不同的边界条件,计及莫里森非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.应用克雷洛夫函数求解套管的固有频率和模态,采用了计算涡激非线性动力响应的迦辽金方法.以东海勘探3号钻井隔水套管为例,研究了不同边界条件下流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明：流对套管的动力响应占主导地位,而波的影响不大.分析了3类不同边界条件下隔水套管的涡激非线性动力响应,揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

复合材料立管抗屈曲能力的提高方法

由于复合材料具有高比强度、设计性强、扰腐蚀性能好等优点,而广泛应用于海洋立管中,但是复合材料立管设计还不够成熟。本文为探究提高复合材料立管抗面压屈曲能力的方法,研究了复合材料结构参数对复合材料立管抗面压屈曲能力的影响,发现铺层数和铺层角对其抗面压屈曲能力有较大影响。其后对复合材料立管增加止屈器,结果表明止屈器可以较大幅度提高其抗面压屈曲能力。对今后研究复合材料立管抗屈曲能力提供一定的指导意义。     

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。     

波浪作用下海洋立管试验研究及ANSYS数值模拟

海洋立管在石油工业生产中有着非常广泛的应用,同时也是薄弱易损的构件之一。立管管内有高温高压的流体流过,管外承受海洋环境荷载尤其是波浪荷载的作用,受力比较复杂。由于中国大部分的海上油田水深都比较浅,所以重点研究浅水中的海洋立管。运用相似理论将实际立管模型缩放为试验模型,在管内流体流动及管外波浪荷载作用下,测量立管动力响应,并与Ansys有限元数值模拟结果进行了比较。     

低温热水地板辐射采暖系统水力平衡分析

分析了地暖系统中重力循环作用压力对共用立管的影响,运用基尔霍夫定律分析了地暖系统中下分异程式双管系统和下分同程式双管系统的水力平衡状况,得出了在没有平衡调节装置的情况下,下分异程式双管系统更适用于地暖系统的结论,通过计算确定了地暖系统共用立管水力平衡的影响因素和平均比摩阻的范围.     

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。     

深水钻井平台-隔水管系统波激疲劳分析

平台运动是深水钻井隔水管系统波激疲劳的主要来源之一。传统的隔水管波激疲劳分析不考虑或简化钻井平台运动,为了更精确地评估隔水管系统波激疲劳损伤,建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统动力学模型及波激疲劳损伤评估方法,开展了动力定位和锚泊定位模式下的隔水管系统动力学响应及疲劳损伤分析,深入揭示深水钻井隔水管系统波激疲劳动力学特性。结果表明,两种定位模式下的平台-隔水管系统受波浪载荷的影响,在常规波浪频率范围内发生波频振动,锚泊定位模式下的平台-隔水管系统还呈现一定的低频特性;两种定位系统下的深水钻井隔水管系统疲劳损伤最大值均发生在隔水管系统顶部,锚泊定位模式下的隔水管系统波激疲劳损伤变异系数较大,动力定位系统下的隔水管系统波激疲劳损伤较大。     

Application of analytical model in the prediction of dynamic responses and fatigue damage of flexible risers: Part II – Dynamic analysis of flexible risers in large-scale domain using a direct moment correction method

In recent years, the dynamic responses of flexible risers have been the focus of many researchers. Most flexible risers undergo a substantial level of irregular motion from environmental loadings, which involves a continuous slip of helical wires. The slip of helical wires especially leads to a hysteretic effect by reducing the bending stiffness, making it hard to predict the dynamic responses of flexible risers. The current study, as an extension to Part I, presents a new large-scale dynamic analysis method for flexible risers. The suggested method creates a large-scale model for the dynamic analysis that considers a geometric and bending nonlinearity of flexible risers. The kinematics of each beam element is formulated based on a Green-Lagrangian strain and the interaction with the seabed, providing a realistic analysis of flexible risers. In particular, the current study introduces a direct moment correction method that modifies the internal force vector using an improved analytical model. The improved analytical model is assigned at each node of the large-scale model and estimates an accurate bending hysteresis curve considering the effect of shear deformation and varying tension. The suggested method corrects the bending moment and shear force of all beam elements based on the bending hysteresis curves obtained from the improved analytical model, by which a complex bending behavior of flexible risers is reflected in a large-scale domain. As a result, this study achieves a more accurate prediction of the dynamic responses and fatigue damage of flexible risers. A new dynamic analysis program, called OPFLEX, is developed herein based on the suggested analysis method. Using the developed program, the current study conducts several numerical investigations to identify the effect of the shear deformation and varying tension. Consequently, it is confirmed that the shear deformation of internal layers reduces the fatigue damage of helical wires by delaying the increase of internal stress. It is also identified that the effect of varying tension deteriorates the fatigue life of flexible risers through a continuous change of contact pressure during bending.