考虑海床土吸力的SCR-Spar整体波浪响应分析

研究海床土吸力对深海钢悬链线立管(SCR)与Spar平台整体波浪响应的影响。分别采用大挠度曲线梁模型、弹性地基梁模型模拟SCR的悬垂段和流线段,考虑SCR与Spar的动力耦合效应,提出整体分析法,并基于锚链/SCR分析程序Ca-ble3D开发V-Cable3D。考虑海床土吸力影响,时域动力响应分析获得一海况下SCR顶点和触地点的位移、张力、弯矩和应力时程。比较分析表明:SCR顶点和触地点附近分别存在波浪响应过程中的张力最大值和弯矩最大值,吸力对这两个特征量以及立管应力状态影响较大。提出的整体分析法为SCR波浪响应分析方法提供了新思路,对SCR与海床的相互作用分析有一定的参考意义。     

海上风电基础下放通过浪溅区响应特性研究

多筒型导管架基础下放安装过程筒顶开口,筒内气—水自由置换,浪溅区下放过程由于浮力、冲击载荷、附加质量、阻尼效应等因素影响具有很强的非线性。开展模型试验研究波浪荷载下外界控制因素对四筒导管架基础下放过程气垫响应、基础运动和吊缆张力响应的影响机理,探究气垫结构对基础下放过程附加质量和固有周期的影响。结果表明：初始下放过程,筒内气体积聚,气垫压力非线性增长,随着下放深度增大,气垫压力趋于稳定;气垫压力响应趋势与基础下放速度和开孔率相关,波浪荷载仅影响气垫响应幅值;筒型基础下放穿越浪溅区阶段受到砰击荷载作用,气垫结构对砰击荷载产生缓冲效果;考虑气垫—水柱耦合作用时,顶盖即将入水阶段,气弹簧和水弹簧耦合作用下整体刚度增大,基础固有周期出现减小趋势。     

钢悬链线立管触地段的结构循环应变响应实验研究

基于量纲分析理论,建立了钢悬链线立管(SCR)触地段的结构循环应变响应的相似准则。设计SCR立管触地段与土体相互作用装置,实验研究了典型工况下触地段床面形状变化对结构应变响应的影响。实验结果表明:水流载荷可使立管触地段下方土体局部冲刷的范围增大,立管结构应变幅值也相应增大;随着管土循环拍击作用和局部冲刷变形的发展,钢悬链线立管触地段的循环应变幅值逐渐增大并趋于稳定值;在立管脱离床面的瞬间,可观测到立管上缘拉应变突增的现象。拉应变突增幅度随着床面变形的发展逐渐增大,进而导致循环应变幅值的增加。     

深水SCR触地区管-土相互作用试验研究进展

与海床的相互作用是钢悬链线立管特有的性质,是传统立管发展中不曾遇到的问题,也是控制立管疲劳寿命的主要因素,特别是触地区出现的峰值弯曲应力和管土接触模型的不确定,成为SCR触地区研究的难点。由于立管与海床的作用机理非常复杂,因此管土相互作用模型的提出大多是建立在模型试验的基础上。通过对国内外深水SCR触地区管土相互作用试验研究案例的分析,简要介绍了SCR触地点的动态响应取决于一系列参数,如海床土刚度、加载状况、立管的提升速度、土的重塑时间和土吸力等,并设计了一套三维管-土相互作用的试验装置,能够为深水钢悬链线立管触地区管-土相互作用的试验研究提供参考。     

深海钢悬链立管触地点动力响应分析

研究深海钢悬链立管(SCR)在海洋环境载荷作用下的动力响应.利用非线性弹簧模拟立管与海床触地点的耦合模型,通过模态分析得到钢悬链立管的动力特性参数;时域动力响应分析获得不同工况下触地点及典型部位的位移、弯矩和应力时程.比较分析表明:浮体垂荡运动对触地点的应力状态影响较大,触地点附近存在钢悬链立管动力响应过程中的位移极值点和弯矩极值点.所提方法为触地点区域模拟分析提供了新思路,给出的分析结论对钢悬链立管设计有一定借鉴意义.     

陵水17-2气田深水钢悬链立管强度敏感性分析研究

陵水17-2气田是国内首个采用钢悬链立管的深水气田。以该气田钢悬链立管(SCR)为例,结合国外经验确定了影响强度的主要因素,利用FLEXCOM软件建立了强度分析模型并进行了敏感性分析。通过对比分析,得到以下结论:管线重量公差较其他因素对立管强度有着更明显的影响,管线重量的正负公差分别对立管触地区和悬挂区强度影响较大,其中等效应力最大增加了13.5%;内部压力的变化对重质管线强度影响较轻质管线明显;柔性节点刚度对立管强度的影响主要集中在悬挂区;立管安装误差对悬挂区和触地区等效应力影响为6.5%～9.5%。为陵水17-2气田及其他类似工程提供参考和借鉴。     

橡胶圈层数对桩腿耦合装置性能影响研究

运用非线性有限元软件ABAQUS/Explicit,建立了不同橡胶圈层数的桩腿耦合装置(简称LMU)整体计算模型,并对其进行了非线性数值求解。通过对载荷-位移曲线、吸能曲线、应力和应变、速度曲线和动能曲线等的详细分析,研究了橡胶圈层数对桩腿耦合装置性能的影响。结果表明,橡胶圈层数对LMU吸能效率和橡胶圈最大应变的影响可忽略不计,但对其刚度、应力、速度和动能及其衰减速率的影响较为明显。随着橡胶圈层数的增加,LMU的刚度逐渐增大,最大应力先减小后增大,最大速度和动能逐渐减小,速度和动能的衰退速率逐渐减小。在LMU设计阶段,应考虑橡胶圈层数对LMU上述方面的影响,合理选择橡胶圈的层数,使LMU能够最有效地发挥缓冲作用。     

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。     

深海立管相互碰撞的响应面法研究

针对深海立管在理想环境和外部水环境中发生碰撞的情况,从立管碰撞最大径向位移和应力峰值两方面展开研究,充分利用ABAQUS仿真得到的数据,基于数值模拟和回归分析,提出四因素三水平的立管碰撞响应面分析方法。采用Design-Expert软件的BOX设计,对立管的非线性碰撞过程中的碰撞应力峰值和最大径向位移等两个试验指标进行回归分析并分别建立二次响应面回归模型。通过将响应面分析所得最优化解与有限元计算结果的对比,最终验证了响应面分析方法及所得模型的准确性。     

钢悬链线立管与海床相互作用小尺寸三维试验研究

围绕钢悬链线立管(SCR)与海床的相互作用,在水箱内开展三维试验研究,研究在不同模拟运动激励下SCR触地点的应力状态。针对当前模拟试验中,全尺寸试验耗资巨大,且试验环境难以控制,缩尺试验大多模拟立管二维运动等现状,提出一套简单易行的三维管土作用试验装置,通过横向、纵向、垂向三个方向轨道位置的合理布置,使得立管可在单向、二维耦合和三个方向同时运动,对模型立管的顶端、底端的边界条件进行处理,通过驱动器在顶端施加位移,模拟在周期运动作用下,立管触地区与土的相互作用,在三维空间内研究立管的力学特性。由此指导立管的整体设计与分析,对保证SCR在深水油气开采中的安全可靠性,具有非常重要的意义。     

深海悬链线立管涡激疲劳损伤研究

讨论海洋平台钢质悬链线式立管SCR(Steel Catenary Riser)的涡激疲劳损伤问题。对于悬链线立管外的流体,给出涡脱落频率和升力对立管作用的计算方法。悬链线立管采用索结构模型,进行动力学分析并利用模态叠加法对其进行动力响应分析。根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则并结合S-N曲线,分析在不同流速下立管的涡激疲劳损伤。以工程中实际使用的1 500 m Spar海洋平台悬链线立管为例,对立管的涡激疲劳损伤进行了预报。并通过立管的参数研究,分别就立管外不同来流速度、立管壁厚、内部流体密度和柔性接头刚度对其疲劳损伤的影响进行了分析,得到了一些有意义的研究结果。     

Coupled analysis of floating production systems

Fully coupled global analysis of Floating Production Systems, including the vessel, the mooring system and the riser system is described. Design of the system can be a daunting task, involving more than 1000 load cases for global analysis. The primary driver for the mooring system and for the riser system is motion of the vessel. Vessel motions are driven by environmental forces, but are restrained by forces from the mooring and riser systems. Numerical models and procedures that provide accurate and efficient global modeling of the Floating Production System are presented. Both Time Domain and Frequency Domain procedures are included. The accuracy and efficiency of the procedures are illustrated in an example: a large semi with 16 mooring lines and 20 risers. The procedures provide the accuracy and efficiency for use of fully coupled analysis in design of Floating Production Systems from concept selection to final design, installation and operation.     

不同浪向下脐带缆与主平台回接过程中的动力学响应

参考文昌油气田的脐带缆截面设计及具体工作环境参数,利用水动力分析软件OrcaFlex建立了文昌缆与主平台回接过程中的动力学响应模型,计算了在不同浪向下脐带缆在与主平台回接过程中的水动力响应。通过水动力分析结果可知:绞车的牵引速度和浪向的改变对脐带缆的牵拉过程有很大影响;脐带缆发生明显弯曲的部位von mises应力也会发生明显变化,但应力仍小于API 2RD的允许应力,可满足工程安全要求。     

新型桁架式Spar生产平台储油系统及总体设计

新型桁架式Spar生产平台具有15 000 t的凝析油储存能力,采用基于油水置换技术和三级油水分离工艺的新型储油系统设计,这在现役和在建的Spar平台中尚属首次。介绍了平台的总体方案,包括主要技术参数、舱室划分、空船重量重心和系泊系统等。阐述了油水置换储油系统的布置方案以及三级油水分离工艺流程。并分析了平台的主要性能,包括气隙、运动耦合、稳性。最后通过风浪流联合运动响应的水池试验,验证了平台在百年一遇的海况下具有良好的运动性能。     

深海立柱式平台概念设计研究

以上海交通大学海洋工程国家重点实验室提出的多柱桁架式立柱平台(Cell-Truss Spar)概念为例,对Spar平台的概念设计方法和过程进行了初步的研究,并对其水动力性能进行理论和数值计算,分析一些影响Spar平台运动性能的参数。设计涉及到两方面的问题:一是设计方法、流程以及结构物的形式;二是水动力性能。整个设计流程是一个不断循环的交互式的过程,需要考虑很多方面因素的影响。     

Spar平台环境载荷风洞测试及载荷分析

介绍某桁架式Spar平台风洞环境载荷测试及分析,为国内首次在风洞中开展的Spar平台风、流载荷模型试验。通过在风洞中模拟真实海洋环境,考虑倾角变化对平台载荷的影响,测试Spar平台水上部分风载和水下部分的流载,给出最大风倾覆力矩风向角,确定平台最容易发生危险的关键风向。试验结果表明:水上部分风阻随纵倾角的增大而增大;风倾覆力矩随倾角增大先增大后减小,在纵倾角10°时达到最大值;水下部分只在流向角-15°～15°范围内,流阻随倾斜角度增大而减小,但最大阻力发生在倾斜角为15°时。试验结果可以为Spar平台设计以及性能预报提供参考。     

Multiaxial fatigue analyses of stress joints for deepwater steel catenary risers

In the present study, the dynamic and fatigue characteristics of two types of stress joints are investigated under ocean environmental condition. Connected with the riser and the platform, stress joint at the vessel hang-off position should be one of the main critical design challenges for a steel catenary riser (SCR) in deepwater. When the riser is under a high pressure and deepwater working condition, the stress state for the joint is more complex, and the fatigue damage is easy to occur at this position. Stress joint discussed in this paper includes two types: Tapered Stress Joint (TSJ) and Sleeved Stress Joint (SSJ), and multiaxial fatigue analysis results are given for comparison. Global dynamic analysis for an SCR is performed first, and then the local boundary conditions obtained from the previous analysis are applied to the stress joint FE model for the later dynamic and multiaxial fatigue analysis. Results indicate that the stress level is far lower than the yield limit of material and the damage induced by fatigue needs more attention. Besides, the damage character of the two types of stress joints differs: for TSJ, the place where the stress joint connects with the riser is easy to occur fatigue damage; for SSJ, the most probable position is at the place where the end of the inner sleeve pipe contacts with the riser body. Compared with SSJ, TSJ shows a higher stress level but better fatigue performance, and it will have a higher material cost. In consideration of various factors, designers should choose the most suitable type and also geometric parameters.     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

荔湾3-1组块浮托安装实船监测与数值模拟

目前海洋平台日趋集成化、模块化,重量和体积都逐渐增大,使得适合安装大型组块的浮托安装法得到飞速发展。介绍荔湾3-1大型导管架平台浮托安装中使用的实测技术,对驳船的运动监测和海洋环境监测等测量数据进行分析,分析结果被应用于指导整个浮托安装过程,保证浮托安装符合安全施工标准。对浮托安装载荷转移阶段采用数值计算方法进行作业过程模拟,将计算结果与实测结果进行对比分析,两者具有较好的相似性。