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。     

非金属柔性立管在海洋潮流下的动力响应特性研究

针对海洋柔性立管在服役期间,整体性能和运动响应受潮流影响较大的问题,本文在海上试验的基础上,采用OrcaFlex对长细比为448的非金属柔性立管模型进行了数值模拟。研究了潮流作用下,流速和流向的改变对于非金属柔性立管受力情况、涡激振动(VIV)响应特性和控制模态的影响。研究结果表明:潮流流向对立管顶张力、曲率和立管整体VIV响应有着显著影响,随着流速增加呈现不同变化规律。柔性立管悬垂段在高流速下更容易激发高阶模态,并呈现出明显的行波特性;立管的悬挂点和触底点为危险区域,随着流向改变易发生疲劳破坏。研究结果对海洋柔性立管总体布置设计具有参考意义。     

陡波形立管涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析

基于柔性杆理论和尾流振子模型计算陡波形立管的涡激振动响应;综合使用S-N曲线法、雨流计数法、Palmgren-Miner线性累积疲劳理论对立管涡激振动导致的疲劳损伤进行计算分析.并以MATLAB为平台编写相应计算程序,将本文计算得到的静力分析结果、固有频率和疲劳损伤分别与专业海工计算软件O rcaFlex和已发表文献进...     

平台运动下悬垂立管动力响应及疲劳损伤特性试验研究

悬垂立管因其经济性被广泛应用在深海油气开发中。悬垂立管在顶端平台运动作用下,会不断产生横流向以及顺流向动力响应,循环累积造成疲劳损伤。为了研究悬垂立管在平台运动作用下的疲劳损伤特性,开展了大尺度悬垂立管模型试验。采用小波分析、模态分析、雨流计数法等方法处理分析试验数据。分析平台运动下无内流作用下大尺度悬垂立管动力响应及疲劳损伤特性,发现横流向弯曲应变结果较为复杂,局部呈现行波特性,主导频率具有时变性。相比之下,顺流向弯曲应变结果比较有规律性,整体呈现行波特性,主导频率不具有时变性,并始终保持与顶端平台运动频率相同。平台运动引发的悬垂立管涡激振动疲劳损伤和KC数有关。各点面内疲劳损伤值延管长分布趋势和面内应变RMS延管长分布趋势相似。横流向(CF方向)的疲劳损伤的数量级为顺流向(IL方向)的10-2倍左右。     

非线性海床土对钢悬链式立管触地点动力响应和疲劳损伤影响分析

基于钢悬链式立管(SCR)动力分析程序CABLE3D,采用大挠度柔性梁理论建立SCR的运动方程,将线性海床模型扩展为考虑海床土吸力的非线性海床模型,采用非线性有限元方法对控制方程进行离散,时域内积分采用Newmark-β法,开发出新的计算程序。通过算例分析上部浮体垂荡运动幅值、海床土剪切强度、海床土剪切强度梯度对SCR触地点区域动力响应和疲劳损伤的影响。分析结果表明:SCR触地点区域动力响应和疲劳损伤对上部浮体垂荡运动幅值和海床土剪切强度的变化较为敏感,疲劳损伤在触地点区域最大,远大于悬垂段和流线段,在设计过程中应采取一定的加强措施。     

平台运动激励下钢悬链式立管触地点动态分析

平台运动和管土相互作用是引起钢悬链式立管(Steel Catenary Riser,SCR)触地点动态响应和疲劳损伤的关键因素。基于竖向土抗力-埋深曲线和侧向库伦摩擦双线模型模拟SCR触地区管土作用,并考虑竖向海床刚度的退化,研究平台三维运动激励下SCR触地区的动态响应与疲劳寿命,相对于简单的单向运动激励和仅考虑竖向管土作用,更符合工程实际。计算结果表明:①三维管土作用下,平台垂荡运动对立管触地区的影响最大,纵荡运动次之,横荡的影响最小;②平台三维运动的耦合,在一定程度上可降低立管触地区的动力响应和疲劳损伤,若仅考虑垂荡运动,结果偏于保守;③非线性海床模型相对于线弹性海床,引起的立管触地区的应力幅值、位移幅值显著增加,虽然贯入位移较小,但土抗力较大,选用线弹性海床的计算误差较大。平台运动和海床强度对SCR触地点动态响应和疲劳损伤的影响较大,因此在SCR响应分析与设计中,准确选择海床模型和平台运动方式,对于预测立管的疲劳寿命具有重要意义。     

基于OrcaFlex的钢悬链立管疲劳损伤预报

涡激振动是钢悬链立管疲劳损伤的重要诱导因素之一,因此涡激振动分析在钢悬链立管设计中占据重要地位。OrcaFlex在海洋工程领域功能强大、应用广泛,能够提供两种涡激振动疲劳损伤预报方法,分别是基于模态叠加法的频域预报方法和基于Iwan-Blevins尾流振子模型的时域预报方法。OrcaFlex的涡激振动时域预报模型只考虑了横流向涡激振动造成的疲劳损伤,基于OrcaFlex的时域预报方法开发了双自由度涡激振动尾流振子模型的接口,考虑了浮式平台运动对钢悬链立管的涡激振动激励作用,实现了钢悬链立管双自由度涡激振动疲劳损伤预报。     

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.     

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。     

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.     

Centrifuge modelling of SCR vertical motion at touchdown zone

Steel catenary risers (SCR) connect seabed pipelines and flow lines to floating structures used for oil and gas production in deep waters. Waves and currents induce motions of the structure and the risers. The repeated motions of the risers at the touchdown zone in turn induce loads on the seabed soil and might eventually cause fatigue damage to the risers. The analysis of riser fatigue damage is heavily dependent on the soil model. Soil behaviour at touchdown zone such as soil remoulding, stiffness degradation and deformation of the seabed at the touchdown zone further complicate the accurate assessment of riser fatigue damage, which is currently not appropriately quantified in existing design methods. This paper presents centrifuge model tests simulating the repeated vertical movement of a length of riser on clay seabed with increasing undrained shear strength with depth. During the tests, the pipe was subject to cyclic motion over fixed vertical displacement amplitude from an invert embedment of 0.5-3.5 pipe diameters into the soil. The test results show a significant progressive degradation of soil strength and diminution of excess pore water pressure with increasing number of riser penetration/uplift cycle. In view of the different types of environment loadings experienced by floating platforms and various soil conditions, tests were also conducted to investigate the effect of soil strength, riser displacement rate and loading mode on riser-soil interaction during repetitive penetration/uplift motion of the riser.     

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。     

Non-parametric prediction of the long-term fatigue damage for an instrumented top-tensioned riser

Marine risers are susceptible to sustained vortex-induced vibration (VIV) because of their slenderness and light damping. Commonly used tools for analyzing VIV and the associated fatigue damage are based on the finite element method and rely on simplifying assumptions on the riser's physical model, the flow conditions, and characteristics of the response. In order to assess the influence of VIV and to ensure the integrity of the riser, field monitoring campaigns are often undertaken wherein data loggers such as strain sensors and/or accelerometers are installed on such risers. Given the recorded riser's dynamic response, empirical techniques can be used in VIV-related fatigue estimation. These empirical techniques make direct use of the measurements and are intrinsically dependent on the actual current profiles. Damage estimation can be undertaken for the different current profiles encountered and can account explicitly even for complex riser response characteristics. With a significant amount of data, “short-term” fatigue damage probability distributions, conditional on current, can be established. If the relative frequency of different current types is known from a separate metocean study, the short-term fatigue damage distributions can be combined with the current distributions to yield an integrated “long-term” fatigue damage model, which then can be used to predict the long-term cumulative fatigue damage for the instrumented riser. Non-parametric statistical techniques (that do not assume a specific function for the underlying distribution as parametric techniques do) are employed to describe the short-term fatigue damage data. In this study, data from the Norwegian Deepwater Programme (NDP) model riser experiments are used to demonstrate the effectiveness of empirical procedures and non-parametric statistics applied to field measurements to predict long-term fatigue damage, life, and probability of fatigue failure.     

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。     

Performance of non-linear seabed interaction models for steel catenary risers,part II: global response

Fatigue response of steel catenary risers (SCR) in the touchdown zone (TDZ) is significantly affected by riser-seabed interaction. Non-linear hysteretic riser-seabed interaction models have been recently developed to simulate the SCR cyclic embedment into the seabed. Despite the advancements achieved in the prediction of non-linear hysteretic riser-seabed interaction, several inconsistencies have been recently identified in the nodal performance of some of the popular models. These limitations need to be resolved by proposing new models or improving the existing models. However, it is necessary to evaluate the influence of the identified shortcomings of the existing models on the global performance of the riser. In this paper, the influence of nodal inconsistencies observed in a popular riser-seabed interaction model on the global performance of the riser was comprehensively examined in the TDZ. The riser embedment profile, cyclic contact stress, contact stress envelop, mean shear force, cyclic bending moment, and consequently the cumulative fatigue damage was investigated. The study showed that the soil model overestimates the riser embedment and other global responses. Recommendations were made to overcome the identified shortcomings of the existing models in future developments.     

钢悬链式立管管土耦合作用的吸力效应研究

钢悬链式立管（steel catenary riser,简称SCR）的流线段敷设在海床上,在浮体运动和环境荷载作用下管线作拔出海床的上升运动时,软质海床的黏性性质将阻碍管线的拔出而表现出吸力效应。吸力的大小与管线的拔出速度和管土循环作用次数、土的重塑时间等相关。基于现有试验数据拟合得到吸力数值模型,用于改进立管动力分析程序,研究立管拔出速度和管径等对触地区吸力分布、动态响应和疲劳寿命的影响。结果表明：海床土吸力对立管触地区应力特别是弯曲应力的影响较大,二者的变化趋势相似;管径的影响主要体现在贯入深度与管径的相对大小,同一贯入速度下,管径越小则相对贯入深度越大,拔出位移与吸力也会越大,反之则越小;立管的拔出速度是影响海床吸力最大值和拔出位移的主要因素,土吸力和拔出位移随拔出速度的增大而增大,导致触地区的疲劳损伤加剧。因此,探究管土耦合作用的吸力效应及其对SCR触地区疲劳损伤的影响,可为SCR与复杂海床相互作用及工程应用提供重要参考。     

硬悬挂钻井隔水管涡激振动特性研究

针对深水钻井过程中遭遇强台风,基于安全性考虑要求钻井平台悬挂隔水管提前撤离的问题,采用软件SHEAR7针对HYSY981钻井平台硬悬挂隔水管系统避台风撤离作业过程中,受南海一年一遇海流作用时诱发涡激振动(VIV)的情况,研究航速与悬挂长度对VIV特性的影响。研究表明,浮力块覆盖率越高,隔水管系统张力越小;浮力块分布对隔水管系统VIV响应影响较大,25%交错布置方案VIV响应最弱。隔水管并非越短越好,要综合考虑洋流剖面、隔水管配置和平台航行的影响;在不同悬挂长度及航行条件下的VIV响应,在撤离作业前应尽量避免在高流速区布置浮力单根,撤离作业时应尽量采用顺流而避免平台逆流航向。