海洋柔性立管弯曲加强器参数敏感性分析

针对海洋立管弯曲加强器所受环境载荷与功能载荷的特点,基于有限元法对某海洋柔性立管弯曲加强器结构进行数值分析。通过有限元分析软件建立了弯曲加强器与柔性立管组合等效模型,重点讨论了弯曲加强器的设计参数对其自身防弯性能的影响,根据弯曲加强器的曲率及柔性立管的应力分布,对弯曲加强器结构进行优化设计,得到结论可供设计参考。     

钢悬链线立管清管过程触底段位移变化规律试验研究

钢悬链线立管（steel catenary riser， 简称SCR）是一种优质的深水开发设备，近几年广泛用于深海环境下油气资源的开采。在浮式平台的周期性升沉运动和海浪海流的载荷作用下，立管的触底区会产生较为严重的疲劳破坏问题。为保证深海立管的高效与安全运行，清管作业是一项必要的维护手段。目前对于清管载荷作用下钢悬链线立管的位移变化规律研究比较匮乏。基于ABAQUS有限元软件和缩比试验准则，设计并开展有关清管载荷作用下钢悬链线立管的位移变化规律的缩比模型试验研究，从清管载荷的大小和作用位置等角度分别研究立管的X向与Y向的位移变化特征。研究结果表明，清管器在立管的触底段中运行并逐渐靠近触底点的过程中，清管器所在立管处的X向与Y向的位移会产生逐渐减小的趋势；当改变清管载荷的大小时，对于立管的同一位置来说，清管载荷的变化会导致立管的X向位移产生较Y向位移更加显著的变化；在清管器通过立管某一位置的前后过程中，X向位移变化呈现先增大后减小的趋势，而Y向位移仅在清管器通过该处时会有明显的减小。     

深水钢悬链立管疲劳寿命评估分析

在时域内分析深水钢悬链立管在平台运动和波流载荷共同作用下的非线性动力响应;采用雨流计数法处理立管节点应力的时间历程,选用DoE.E型S-N曲线分析立管在单一海况和平台运动联合作用下的疲劳损伤;将各方向含概率分布的疲劳损伤进行叠加,得到立管整体的全方向疲劳损伤及疲劳寿命。平台的运动为六自由度的运动预报数据,波流载荷由某海域实际的波浪统计数据采用Morison公式计算所得。计算结果表明钢悬链立管疲劳寿命的极值点分别位于悬挂点附近和触地点附近,对立管疲劳寿命极值点各方向疲劳损伤分布情况进行了分析。所提方法为钢悬链立管疲劳分析提供了新思路,给出的结论对钢悬链立管设计分析有一定借鉴意义。     

陡波型柔性立管浮力块参数优化及应用

浮力块分布和外径等参数直接影响柔性立管在环境载荷作用下的动力响应,对某深水柔性立管进行陡波型布置,开展时域内的整体动态有限元分析,得到浮力块分布和外径对柔性立管动力响应的影响规律,表明浮力块参数是陡波型柔性立管整体设计的一个重要因素。立管动力响应是弯曲加强器的设计载荷,根据上述规律,构造具有不同浮力块参数的柔性立管模型,进行多工况动态分析,通过对比弯曲加强器设计载荷对(T,θ)的散点图,得到弯曲加强器设计载荷优化方法及最优设计载荷。     

组合载荷作用下深海非粘结柔性管力学性能对比分析

建立深海非粘结柔性管新型力学数值分析模型,分析其在复合载荷工况下的力学性能。深海非粘结柔性立管是深水资源开发的关键设备,安装成本低,适用于恶劣深海环境。然而,由于非粘结柔性管本身的结构型式复杂以及层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使其局部力学性能分析面临众多挑战。研究针对非粘结柔性立管特殊的结构型式,建立一个高效的数值分析模型,对其刚度进行数值求解并与实验结果进行对比,探讨了内压和拉伸、扭转、弯曲的组合载荷工况和拉扭组合载荷工况对非粘结柔性立管刚度的影响。研究表明,本文所建立的简化模型计算结果与实验结果吻合较好。此外,柔性立管所受到的内压可以在一定程度上增加非粘结柔性立管的刚度;拉扭组合载荷工况使非粘结柔性立管的拉伸刚度降低明显,而使其扭转刚度少量增加,总体上较单一载荷工况更加危险。     

非黏结柔性立管疲劳损伤特性分析

对柔性立管的疲劳损伤特性进行分析,探究抗拉层与抗压层的疲劳特性,并分析弯曲加强器的存在与否对柔性立管疲劳损伤的影响。研究表明:柔性立管最内层抗拉层上的疲劳损伤最大,从内到外,抗拉层的疲劳损伤依次减小;抗压层受到的疲劳损伤远小于抗拉层的疲劳损伤;弯曲加强器的存在可以减小立管的疲劳损伤,并改变抗拉层疲劳危险点的位置。     

基于半数值方法的限弯器剪弯刚度分析

柔性管缆限弯器存在接触非线性导致剪弯刚度分析困难。为此先基于悬臂梁方程建立剪弯刚度理论模型;然后构建考虑接触边界的锁合结构数值模型,得到其扭转刚度曲线;最后结合理论分析和数值计算求得考虑接触非线性的限弯器剪弯刚度曲线,并同传统的整体数值方法相比较,验证该半数值分析方法的有效性。对比发现基于半数值方法的限弯器剪弯计算效率远高于传统数值方法,其结果误差也满足工程需求;并且限弯器锁合结构处受接触边界影响有明显的非线性;限弯器子梁这一短梁结构基于Timoshenko梁理论计算的结果精度更高也更保守。相较于传统数值方法,该半数值方法用方程直接表达部分参数与剪弯刚度关系,并可以高效地分析限弯器剪弯刚度,使设计工作更加高效。     

海中输流立管涡激振动试验研究及疲劳寿命分析

为研究海洋立管涡激振动响应并预测其疲劳寿命,在中国海洋大学物理海洋实验室大型风-浪-流水槽进行海洋立管涡激振动模型试验.考虑管内流体的流动,运用相似理论将实际海洋立管缩放为试验模型,施加不同流速的外流,测得立管在涡旋脱落时顺流向及横向振动的应变时程曲线,根据实测结果,采用Miner理论对立管进行疲劳寿命分析.结果表明:立管横向振动比顺流向振动强烈,大约高一个数量级;随骀着外流流速的增加,管道横向及顺流向振动明显增加,立管的疲劳寿命降低;立管中部及端部振动比较强烈,疲劳寿命较其它位置处低,容易发生疲劳破坏.     

非线性管土耦合作用下钢悬链式立管触地区敏感性分析

浮体运动和海床土刚度是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)管土相互作用的关键因素,将导致SCR触地区的疲劳损伤。以工作水深为1500 m的浮式平台上生产立管SCR为研究对象,基于法向抗力模型和侧向阻力模型建立管土作用模型,在环境载荷和浮体运动作用下,开展SCR与浮式平台的整体分析,研究海床土参数对SCR触地区动态响应和疲劳寿命的敏感性。通过改变海床土的不排水抗剪强度Su0、强度梯度ρ、吸力因子f_suc、吸力衰减参数λ_suc以及再贯入系数λ_rep等,得到不同参数对触地区动力响应、疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:①基于软黏土海床,随着不排水抗剪强度Su0的增加,触地区立管疲劳寿命减幅达到33.23%,敏感性最高;②吸力因子f_suc越大,立管疲劳寿命越小且减幅达23.77%,其敏感性较高;③随着再贯入系数λ_rep增大,触地区立管疲劳寿命增幅达到15.48%;④海床抗剪强度梯度ρ和吸力衰减参数λ_suc对立管疲劳寿命影响较小。研究结论能为SCR设计分析及安全服役提供重要参考。     

考虑非线性管-土接触模型的钢悬链线立管触地区动态曲率分析

钢悬链线立管(SCR)具有特殊的结构型式,循环载荷作用下,由于海床模型的不确定性易导致触地区产生较高的弯曲应力,引发疲劳损伤。基于非线性P-y曲线管-土接触模型,运用大挠度曲线梁模型来模拟SCR与海床土的相互作用,研究SCR在浮体二维运动和海床作用下,触地区的动态曲率变化情况。由计算结果可知:1)由于在立管的有效张力中考虑局部曲率的影响,导致立管触地区的有效张力显著增加,并产生较高的弯矩; 2)动态分析中,分别运用线弹性海床和非线性海床模型,研究立管触地区的相对曲率随相对时间的变化曲线,表明非线性海床将使触地区的相对曲率具有明显的非线性,且有多个峰值,变化幅度较大,并出现反向曲率; 3)垂荡运动比纵荡对曲率的影响大,且运动幅值越大,影响越明显。