夹心立管极限强度分析

针对夹心立管极限承载能力问题,通过ABAQUS软件建立了立管的非线性有限元模型,对纯外压、纯弯矩、以及外压和弯矩联合作用下的立管极限强度进行研究。研究夹心材料、初始椭圆度以及偏心焊接等因素对立管的极限承载能力影响。经有限元计算可知,胶合材料夹心立管与聚丙烯材料夹心立管在极限强度上有明显的差异;对于胶合材料夹心立管,随着初始椭圆度增加,立管的极限外压和极限弯矩均减小;对于偏心焊接的单壁立管而言,随着偏心焊接量的增大,立管的极限弯矩减小。     

钢悬链线立管强度可靠性计算研究

在钢悬链线立管分析中,材料性能、载荷参数、计算方法等都存在着大量不确定性。为考虑不确定性因素造成的影响,采用作用效应-抗力半随机过程构建可靠性模型,并采用极小化变换转化为静态可靠性问题。选用物理含义较为明确的屈服判定准则建立功能函数,通过单样本K-S检验对载荷随机过程的概率特性进行极值统计,提出载荷转化的方法以实现与目标可靠性指标的比对,并引入模型和主观不确定性随机变量。在此基础上采用改进的一次二阶矩法,对立管的强度可靠性进行了计算。结果表明此方法与利用系数方法能够相互印证,可以为立管的可靠性计算提供参考。     

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。     

深水新型水下立管支撑平台研究

FPSO系统在深海海洋油气资源开发中扮演着重要的角色,而深水FPSO系统水下立管管路较长,立管整体重量较大,立管在水流作用下产生的涡激振动也较强,这些将给FPSO主船体带来严重的稳性、强度及疲劳问题。鉴于此,深海FPSO系统在油气资源开发过程中,须在水下一定深度设置若干水下软管支撑浮体,用以支撑来自深海海底的管线,减轻深水立管对FPSO的负载作用。随着深海资源开发的深入发展,传统水下软管支撑浮体作为FPSO系统的关键装备已经无法满足深海开采的需求,寻求大型化、深海化、生命周期长久化的新型水下立管支撑平台迫在眉睫,设计简便快捷、低风险的安装方法成为其开发过程中的重点和难点。详细描述了水下软管支撑浮体的产生及其发展历程,针对深海开发的需求提出了新型立管支撑平台的新概念,着重对新概念下下水安装更便捷的耐压立管支撑平台设计原理及其下水安装方式展开了分析,最后对水下软管支撑浮体和新型立管支撑平台的关键技术进行了总结,并提出了需进一步解决的问题。     

海洋立管综合环境条件设计标准研究

首先用有限单元法推导海洋输液立管在外界环境荷载条件下的侧向振动微分方程。对渤海某海区的15次风暴过程作了抽样分析，得到以波高为主时的波高、流速序列和以流速为主时的波高、流速序列，并对其进行了Weibull、Gumbel、Lognormal等适线分析，以确定各序列的最优分布形式及相应的特征值。用重点抽样法进行随机模拟得到联合概率为百年一遇的波高的流速。针对线海固定式平台铰接的海洋输液立管，以最大应力为控制条件确定其联合设计标准，并与其它方法作了比较，得到一些有益的结论。     

基于可靠性的海洋立管疲劳安全系数研究

综合考虑了立管疲劳安全系数取值的相关因素——立管的安全等级、设计寿命、检验周期、载荷和损伤计算方法等的不确定性,提出了基于可靠度的疲劳安全系数确定方法,筛选了用于计算波致疲劳和VIV(涡激振动)疲劳的随机变量,给出了立管波致疲劳与VIV疲劳安全系数的计算流程,并以某SCR(钢悬链线立管)为例进行了安全系数计算。结果表明,该方法的计算结果优于传统的安全系数确定方法,尤其适合于特殊工程方案或新颖设计的立管疲劳校核。     

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。     

立管-水平板结构消浪特性试验研究

在现有的矩形方箱和透空结构的基础上,提出一种由立管和水平板组合而成的消浪结构。利用波浪水槽物理模型试验,测试该结构在单向规则波作用下的消浪性能。分别探讨了其单排布置和双排布置时的透射系数随结构宽度、相对吃水深 度、相对间距等因素的变化规律。结果表明：单排布置时,透射系数随结构宽度的增大而减小,总体上随吃水深度的增大而减小;双排布置时,透射系数相对总宽度相同的单体结构减少 10 %,透射系数随吃水深度的增大而减小,前后间距对透射系数的影响不明显。对试验结果数据进行曲线拟合,得到了透射系数关于各影响因素的函数表达式。     

深水钢悬链线立管安装分析研究

钢悬链线立管(SCR)在安装过程中,通常会表现出复杂的动态特性,加强其安装技术及分析方法的研究具有重要意义。基于SCR-Spar生产系统,对深水SCR的安装方法进行研究,给出SCR典型安装步骤和各步骤中的关键问题。采用有限元软件OrcaFlex对海底提升和穿越拖拉安装进行了分析。基于整体时域分析,给出SCR安装操作方案和模拟分析方法,分析了控制安装操作的关键参数及其对SCR安装的影响。研究结果表明,SCR提升操作宜在空管状态下进行,初始提升速度和提升结束时吊头最终位置是控制管线应力/应变水平的主要因素。对于穿越拖拉操作,减小吊头与Spar的初始和最终间距,适当减小穿越拖拉缆长度对控制应力/应变水平是有利的,收/放缆速度对安装影响较小。     

台风下TLP立管系统可靠性评估

针对在南海海域频发的台风自然灾害,考虑海况随机性、结构随机性以及作业参数的随机性,采用梯度投影确定取样点的响应面法,分别建立P2D、D2P和P2P(P指生产立管,D指钻井立管)三种作业模式下TLP串行立管系统的结构极限状态方程。并在建立立管可靠性分析模型的基础上,确定一种立管可靠度计算方法。算例结合南海某TLP平台给出了上述方法的具体应用。研究表明,10年一遇台风情况下,P2D、D2P和P2P三种工况中生产立管系统的失效概率均小于0.001%,钻井立管系统的可靠度分别为0.016%和0.113%。在大于200年一遇的强台风情况下,P2P工况时的上下游生产立管系统失效概率均大于0.32%和0.018%。因此建议10年一遇台风情况下,停止钻井立管作业;在大于200年一遇的强台风情况下,停止生产立管作业。研究结果可为南海TLP立管系统可靠度评估及安全作业技术支持。     

深水开发的新型立管系统——钢悬链线立管(SCR)

1种全新的深水立管系统——钢悬链线立管（Steel Catenary Riser,SCR）在翠西哥湾（Golf of Mexico）、坎普斯湾（Campos Basin）、北海（North Sea）和西非（West Africa）得到了成功应用。它的适用水深为300～3000m,且适用现有任何浮式结构,从浅水的固定式平台到极深水的浮式生产储运系统（FPSO）。因此,它取代了传统的柔性立管和顶张力立管,成为深水油气开发的首选立管,被认为是深水立管系统的成本有效的解决方案。     

海洋立管的大位移分析

本文用二维管梁矩阵迭代法解海洋立管的大位移弯曲,把管梁的几何非线性问题化为一系列线性解的迭代,通过实例,将计算结果与精确微分方程的积分解进行比较,结果完全一致。这说明大位移矩阵迭代解法具有方法简便,精度高,省机时等优点.文章还以我国南海油田深水浮式生产系统的立管,在不同的张紧力及钻井船横向漂移下,作参数选择系列计算,从数值计算结果表明,对处于大位移变形状态下的立管,如果沿用小位移经典解,将会引起很大的偏差,因此大位移矩阵迭代法是解决海洋立管问题的有效方法,当然它也适用于海洋管道工程中的检管及铺管计算。     

柔性立管的非线性动力分析

以集中质量法建立了一种能考虑管内流体流动情况下的非线性动力分析方法。将计算结果与前人的工作成果作了比较,并讨论了内流、内压,动态及非线性的影响,得出了一些工程中有用的结论。     

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。     

指数剪切流作用下海洋立管振动特性研究

细长海洋立管在复杂来流作用下的涡激振动（VIV）是海洋工程领域备受关注的热点问题。采用双向流—固耦合方法,对立管在指数剪切来流作用下的涡激振动实施了数值仿真研究。基于均方根振幅包络图的显性模态分析发现,与线性剪切流工况相比,当流速较小时,立管模型在指数剪切流作用下振幅最大值相对较小;流速较大时,指数剪切流的非线性分布致使立管的振动响应增强。通过对立管模型均方根振幅包络峰、谷处的振动响应频率分析发现,在波峰位置处振动频率单一且较为稳定,而在相邻波谷位置处多频共存现象显著,两者有显著差异。沿管的轴向波形主要表现为驻波主导和驻波—行波混合模式,行波一般间歇发生,流速越大发生频次愈高,其在横流向的传播方向通常由高流速区段传递至低流速区段。指数剪切流作用下,沿管体轴向各截面位置处的旋涡脱落模式差异显著,高流速段尾流区的旋涡发放具有较强的周期性,涡管完整且与管轴存在一定偏离角度,低流速段蜂窝状离散涡旋较多。     

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。     

质量比对柔性立管涡激振动影响实验研究

质量比是影响海洋立管涡激振动的一个重要因素.通过在室内物理实验中使立管模型内部分别充填空气、水和沙来改变立管的质量比,从而研究质量比对柔性细长立管涡激振动的影响.实验结果表明:在相同流速下,质量比大的立管模型所激起的模态更高.在低约化速度区域,空管和水管的涡激振动响应频率与涡脱落频率相同,沙管的响应频率则与自振频率更接近,三种质量比立管的响应位移较接近;在高约化速度区域,三种质量比的立管模型的响应频率处于自振频率和涡脱落频率之间,但空管的响应频率随约化速度的增大而不断增大,同一流速下,质量比大的立管模型响应位移小,其中空管的涡激振动响应一直处于大振幅的锁定状态下.共振区域对应约化速度的范围随着质量比增大而减小.     

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.     

深海刚性跨接管弯管强度关键影响因素研究

深海刚性跨接管是水下生产系统的关键设备,其弯管处易因应力集中导致结构失效。依照理论与规范,并结合工程实例,通过数值模拟分析对影响跨接管弯管强度的关键因素进行研究,并对各影响因素展开敏感性分析。结果表明:跨接管结构形式是影响弯管强度的主要设计因素(M型跨接管可有效降低弯管的结构应力),弯管曲率半径影响较小;管道端部位移是影响弯管强度的主要载荷因素(重点分析此因素在不同方向的敏感性,发现轴向端部位移的影响最大);而工作温度对管道强度的影响很小。     

非线性管土作用下钢悬链式立管动力响应分析

钢悬链线立管(SCR)在上部浮体运动和波流荷载激励下会与海床土相互作用,传统的线性海床模型假定荷载位移关系是线性的,没有考虑管土相互作用的非线性过程和海床土吸力的影响,本文基于大挠度柔性索理论的钢悬链式立管动力分析程序CABLE3D,将立管受到线性海床的弹性支撑力扩充为立管受到的海床垂向力,充分考虑管土非线性相互作用,并考虑海床土吸力对钢悬链式立管触地点区域的影响,开发出新的动力分析程序。程序采用非线性有限元方法对控制方程进行离散,时域内采用Newmark-β法,求解给定上部浮体运动条件下,SCR的动力响应,通过算例对线性刚度海床和非线性刚度海床进行对比,并分析了不同海床刚度对SCR触地点动力响应和疲劳损伤的影响。结果表明:非线性海床刚度模型比线性海床刚度模型更接近真实的管土作用过程;在非线性海床刚度模型下,海床土刚度越大,SCR触地点区域垂向位移响应越小,应力幅值越大,疲劳损伤越严重。