Study of natural vibration characteristics of deep-water riser considering heave motion of platform and tension-ring's motion

研究深海顶张力立管(TTR)的固有振动特性.通过考虑两种不同的分析模型,研究沿水深变化的轴力以及张紧环运动对于立管固有振动频率和振型的影响.考虑立管顶端动边界条件及立管轴力随水深变化,提出了计算深水顶张力立管固有振动频率的方法,给出考虑浮体升沉及张紧环运动时顶张力立管的固有振动特性.结果表明,考虑变轴力和张紧环的影响是计算立管固有频率需要考虑的;立管浮体的运动,导致立管频率显著变化,从而改变立管的共振特性.     

液压式张紧器对顶张力立管静动力响应的影响

为准确了解张紧器对立管静动力响应的影响以及处理传统分析时立管顶部简化处理的问题,本文充分考虑张紧器的作用,基于向量式有限元(VFIFE)法建立立管动力学模型,研究张紧器对立管静动力响应的影响以及对平台运动传递的规律。研究结果表明：本文建立的立管动力学分析模型能够有效考虑张紧器的影响;海流作用下立管的静力分析中,张紧器能提供更大的顶张力,从而减小立管的横向位移以及最大弯矩;波浪以及平台作用下的动态分析中,张紧器对平台纵荡的传递影响较小,对垂荡的补偿效应明显,补偿后的立管顶端位移远远小于平台运动幅值,并且在张紧器对顶部平台运动的缓冲作用下立管的位移和弯矩受平台运动影响不大。因此在分析中考虑张紧器对平台运动的传递补偿作用能更准确合理地施加顶张力以及平台运动,从而能更加有效的预测立管的响应。     

一种适用于深水浮式海洋平台结构的新型系泊系统设计及水动力性能分析

作为浮式结构最常采用的两种系泊方式,悬链式系泊和张紧式系泊皆存在不足。本文提出了一种新型系泊系统,并以一深水FPSO为例,采用完全时域耦合分析方法,对不同工作水深情况下的浮体及新型系泊系统的运动性能进行了数值模拟,并将该新型系泊系统的仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较,分析了新型系泊系统在浮体运动性能、缆索张力等方面的改善,同时探讨了该新型系泊系统的最佳工作水深。     

深海平台系缆形状和张力分析

考虑海底地形的变化、系缆的拉伸形变及海流力等因素,研究了深海平台系缆形状和张力分析方法采用集中质量法,得到系缆方程组,采用牛顿法求解该非线性系缆方程组,建立系缆形状和张力的计算方法。计算了平坦海底和海底地形凹凸变化时水深1 018 m情况下的系缆形状、系泊张力和浮体平衡位置。计算结果表明,海底地形对于深海系泊系统张力影响较大,而计算系缆形状和张力、系泊浮体的运动时,需要考虑海底地形的影响。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

深海顶张紧式立管涡激振动疲劳可靠性研究

以深海顶端张紧式立管为研究对象,基于圆柱体受迫振荡实验数据和能量平衡原理预报立管涡激振动响应及其诱发的疲劳损伤度,各主要参数随机化,应用响应面法建立了涡激振动疲劳安全系数与极限状态方程关系,研究了疲劳安全系数对结构可靠性的影响,并分析了各随机变量的灵敏度。研究结果表明:1)随着疲劳安全系数的增大,结构失效概率逐渐减小,且失效概率的减小幅度随疲劳安全系数的增加而趋缓。疲劳安全系数SF无需超过20。2)增加疲劳安全系数SF可降低疲劳载荷不确定量B、S-N曲线参数A、顶张力、流速、外径和壁厚等立管及环境随机变量对结构涡激振动疲劳损伤可靠性的影响。3)立管各参数中,流速、外径和壁厚均值越大,立管结构安全度越低,顶张力对结构影响相反;各参数的标准差越大,结构可靠度越低。均值灵敏度由大到小依次为顶张力、流速、外径和壁厚,标准差灵敏度由大到小依次为流速、张力、外径和壁厚。4)壁厚对深海顶张紧式立管涡激振动所致疲劳损伤影响很小,可忽略其影响。研究成果可为深海顶张紧式立管涡激振动疲劳安全系数的选取提供参考。     

考虑内流作用的缓波形立管非线性静动力分析

考虑内流的作用,研究缓波形立管在海洋环境荷载作用下的非线性静动力力学性能。采用细长柔性杆理论,建立缓波形立管运动方程,利用有限元法进行离散,运用Newton-Raphson法和Newmark-β法分别对立管进行静动力分析,编制缓波形立管计算分析程序LWRNM,研究缓波形立管在海流、内流、浮体漂移与运动作用下的结构响应。结果表明:随着海流从x负向变成x正向和流速的增大,缓波形立管线形变缓,有效张力增大,弯曲曲率的极值减小;随着内流流速的增加,缓波形立管的固有频率下降;随着顶部浮体从近端向远端漂移,缓波形立管的有效张力增大,弯曲曲率的极值减小;纵荡和垂荡作用下,缓波形立管的顶部有效张力变化周期与浮体激励周期相同,横荡作用下,顶部有效张力变化周期为浮体激励周期的二分之一,垂荡作用下,缓波形立管顶部有效张力变化幅值最大,纵荡作用下次之,横荡作用下最小。     

海洋立管复模态动力特性分析

考虑阻尼的影响,研究海洋立管的动力特性。通过分析管内流体及管外海洋环境荷载的共同作用,建立海洋立管涡激振动偏微分方程,进而得到立管动力特性方程,用复模态分析法求解动力特性方程得到立管考虑阻尼的自振频率。算例计算表明:考虑阻尼的立管自振频率略小于不考虑阻尼的立管自振频率;立管的自振频率随着内流流速的增加而减小,但内流流速不大时,影响较小;管道长度对立管的自振频率影响较大。     

涡激致顶张力立管双频参量共振研究

研究了涡激力作用导致顶张力立管基于双频激励的参量共振机理。随着海洋油气开发走向深水,参量共振成为深海立管设计面临的挑战之一。立管系统一旦发生参量共振,将因应力过大或疲劳损伤而发生破坏,造成油气泄漏从而带来环境污染和重大经济损失。顶张力立管受涡激力作用产生横向运动,引起轴向张力波动,满足一定条件时,立管将发生参量共振。目前研究多以单频外激励探讨立管的马修不稳定性,而实际激励为多频叠加,因此双频外激励被提出并被应用于对立管参量稳定性的探讨。研究建立了顶张力立管非线性耦合的运动方程,并推导了多频激励马修方程,采用布勃诺夫-伽辽金法求解有阻尼马修方程,对比分析了单频和双频激励对顶张力立管参量稳定性的影响,探讨了双频激励马修方程设计深海顶张力立管参量稳定性的应用。研究表明:涡激致顶张力立管产生轴向应力波动,进而导致立管系统发生参量共振的现象值得设计人员关注;此外,实际工程设计中激励函数的选取,对被研究系统参量稳定性特性以及阻尼特性的预测具有决定性影响。     

深水半潜式平台系泊系统动力特性研究

探讨张紧式系泊系统的基本特征,比较张紧式和悬链线式系泊半潜平台运动和动力响应特性,分析拖曳力系数变化对张紧式和悬链线式系泊动力效应的影响,以及张紧式和悬链线式系泊缆节点运动特点,从而为改善半潜平台系泊系统动力效应提供参考.     

浅海新型FPSO-IQFP多点系泊系统设计研究

海上油气生产要求FPSO具有低幅运动的特性,因此系泊系统性能的优劣直接影响生产作业的效率和安全。针对新概念FPSO-IQFP(圆角倒棱台形FPSO)的浮体特点和边际油田经济性开发的需要,设计一套经济有效的多点系泊系统。首先,将钢制悬链线系泊系统和聚酯纤维张紧式系泊系统作为备选方案,根据定常力计算结果并参照工程经验,给出两种系泊系统的初始设计方案,并进行二者的静特性分析,探讨系泊参数对系泊系统受力和位移的影响规律;在此基础上,结合时域计算结果,确定系泊系统的优化设计方案;最后,给出系泊系统的回复力和浮体位移之间的关系曲线,并在静力范围内比较两种系泊系统的优劣性。静力分析结果初步验证,较之悬链线系泊系统,张紧式系泊系统用于浅水作业的IQFP上更具优越性。     

海洋输流立管耦合动力分析

综合考虑黏性内流以及立管轴向和流向的耦合效应等多种因素对立管动力响应的影响,基于Hamilton原理推导得出海洋立管耦合振动方程,采用Galerkin法进行数值求解。首先分析波流载荷与平台运动联合激励和仅在平台运动作用下立管动力响应的差异,然后讨论黏性内流和顶部张力对立管动力特性和响应峰值的影响。计算结果表明:波流与平台运动耦合作用和仅在平台运动作用下的立管各阶振动模态和振动峰值存在明显差异,波浪和海流对立管的直接作用不可忽略;内流运动黏性会改变立管振型峰值,立管流向一阶固有频率随内流流速增大而减小,流向和垂向振动峰值分别随之增加和减小,但这种影响很有限,且可以通过增大立管顶部预张力来抵消。     

国外深水钢悬链线立管研究发展现状

介绍国外在新型深水立管系统--钢悬链线立管关键技术方面的研究发展现状,论述浮体一、二阶运动对钢悬链线立管疲劳寿命的影响、浮体升沉运动对钢悬链线立管触地点疲劳寿命的影响;钢悬链线立管与海底相互作用机制的实验研究及结果;钢悬链线立管涡致振动与疲劳的研究现状.并简要论述钢悬链线立管触地点问题的研究结论.     

浮体二阶运动下钢悬链式立管触地区动态响应分析

浮体运动是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)动态响应和疲劳损伤的关键因素,目前研究SCR问题时,为简化计算往往仅考虑平台一阶运动,忽略二阶运动影响。而实际上不同浮体结构的二阶运动响应特征明显,拟以SCR服役张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)为例,探讨浮体二阶运动对SCR触地区动态响应的影响。建立考虑海床刚度退化的管土作用模型以改进现有的CABLE3D RSI程序,通过编写程序接口,将有限元分析得到的平台实际运动响应导入,研究平台不同运动作用下SCR触地区的位移、动力响应及疲劳分布情况。根据波流作用方向将TLP二阶慢漂运动分为近端和远端漂移两种工况,发现二阶运动下立管与海床的作用范围会增大,且触地区不仅发生高频小幅振荡运动,同时伴随低频大幅运动响应;平台远端漂移时,管内张力敏感程度高,而近端漂移时触地区的弯矩显著增大,都会不同程度提高触地区的疲劳损伤率。研究可为服役不同浮体的SCR响应预测与疲劳分析提供参考和借鉴。     

海洋立管试验支座设计及其对涡激振动影响研究

针对大长细比顶张力立管内外流共同作用时涡激振动的试验研究,考虑端部铰接和固接两种边界条件,设计了可施加张力和内流的铰接支座和固接支座,并对两种支座进行数值模拟及受力分析,最后用于深水立管的涡激振动试验。立管模型材料采用6.2 m长铜管,外径20 mm,壁厚1.5 mm,分别支撑在铰接支座和固接支座上,施加不同的顶部张力、外流流速和内流流速。通过在立管表面粘贴光纤光栅应变计获得动态应变数据,分别从动态响应幅值、频率等方面对不同边界条件立管的试验数据进行对比分析,得出在顶张力、内流速相同的情况下,外流速相等时两端铰接立管的振动幅值大于两端固接立管,随着外流速的增加,两端铰接立管比两端固接立管率先发生锁振现象。     

顶部浮体激励下钢悬链线立管的动力响应分析

考虑钢悬链线立管大变形的特性以及内流的影响,利用Kane方法和拉格朗日应变理论建立钢悬链线立管的二维动力学模型。将顶部浮体的激励简化为一个沿顺流向的周期作用力施加于立管顶部,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨顶部浮体不同激励频率下立管的非线性动力响应以及内流流速的大小对管道共振响应幅值的影响。     

考虑内流作用的钢悬链线立管动力特性分析

考虑内流的作用,研究钢悬链线立管动力特性。采用细长柔性杆模型,建立内流作用下钢悬链线立管运动方程,运用有限元法进行离散,通过求解动力特性方程得到立管的固有频率和模态,基于Matlab平台编写相应计算程序,探讨内流流速、顶张力和顶端压强对钢悬链线立管动力特性的影响。结果表明:随着内流流速的增加,立管的固有频率降低,高阶模态的反转点向立管底端移动;随着顶张力的增加,立管的固有频率增加,高阶模态的反转点向立管顶部移动;随着管内顶端压强的增加,立管的固有频率降低。     

新型激光雷达浮标运动响应特性数值研究

以新型激光雷达浮标系统为研究对象,基于ANSYS/AQWA开展了激光雷达浮标系统运动响应特性数值研究,研究了浮标吃水深度、形状参数对于激光雷达浮标运动响应的影响规律,分析了附加质量、辐射阻尼、运动响应RAO及一阶、二阶波浪力等水动力参数。采用时域分析方法对不同风浪流荷载入射角度下的激光雷达浮标锚泊系统张力特性进行了计算分析。研究结果表明:随着浮标吃水深度的增加,浮标纵荡方向响应无明显变化,垂荡响应显著增大;随着浮标底部圆台直径的增大,浮标纵荡方向响应变化较小,而圆柱形浮标垂荡运动响应显著大于圆台形浮标;当浮标系泊锚链发生松弛—张紧状态变化时易出现极端张力,且极端张力出现的幅值和频率随有效波高的增大和谱峰周期的减小而增大。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

波频和慢漂组合作用下钢悬链线立管疲劳损伤研究

为了有效地考虑浮体慢漂运动对钢悬链线立管疲劳损伤的影响,提出了波频和慢漂运动组合作用下钢悬链线立管疲劳损伤简化计算的位置组合叠加法。其核心是:基于浮体慢漂运动概率分布选取若干典型慢漂位置,进行波频运动作用下钢悬链线立管动力响应分析;根据钢悬链线立管运动位置变化特征,截取若干慢漂位置对应的波频应力时程叠加到慢漂应力时程上,得到波频和慢漂运动的组合应力时程;编写基于雨流计数法的MATLAB程序处理立管各节点应力,采用海水环境下Do E.E型S-N曲线和Palmgren-Miner累积损伤准则计算立管各节点疲劳损伤。应用位置组合叠加法对某海域500 m水深的立管进行了疲劳分析,并与全耦合法、权重组合叠加法以及波频和慢漂疲劳损伤简单相加法的结果进行了对比,结果表明该方法具有较高的精度和效率。此外,进行了区域设定系数、波浪高度、波浪周期和土壤表面剪切强度等参数对组合作用下立管疲劳损伤的敏感性分析。