基于缓波布置构型的深水立管动力优化机理研究

缓波型立管可以有效降低深水立管的顶端张力,缓解浮式结构运动对立管触地区的耦合作用,从而提高立管触地区的疲劳寿命。通过改进细长杆理论模型以及浮力段等效优化,提出基于多重波形串联布置的深水缓波型立管构型(简称多重缓波型立管),通过对比不同浮式结构垂荡激振以及海流作用下悬链线立管、缓波型立管以及多重缓波型立管的动力响应特征和运动传递路径,探究缓波布置构型对深水立管动力响应的影响规律和对立管触地区运动的解耦机理。结果表明:基于缓波布置构型的深水立管通过构建缓波构型可以大大降低立管触地区的法向运动响应,进而优化该区域的动态曲率及抗疲劳性能;相比于缓波型立管,多重缓波型立管在动态轴力及动态曲率等方面没有显著优势,但在触地区曲率幅值响应上具有一定竞争力。     

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。     

非平坦海床下缓波型立管转移过程中的参数分析

随着海上油气田探索及开发水域不断加深,通常会遇到有坡度的海床,这对缓波型立管的安装转移提出了更高的要求。基于虚功原理和最小势能原理,建立了缓波型立管的力学分析模型。基于该模型在非平坦海床条件下对缓波型立管转移过程做参数分析,研究海床坡度角、安装船张力、浮筒段长度、船与平台的水平间距等参数对缓波型立管转移过程的影响。研究发现：随着海床坡度角的增大,立管转移过程中的拱弯弯曲程度加剧,上拱点、下垂点均上移,悬挂点张力及最大剪力均减小;在非平坦海床下,随着影响参数的改变,立管上拱点、下垂点和悬挂点张力变化的拐点和趋势不同。该结论为在非平坦海床海洋环境下缓波型立管的设计与应用提供一定的参考。     

非线性海床土深水缓波型立管动力响应分析

缓波立管的结构形式能够有效改善立管触地区的动力响应,达到保护立管触地区的目的。基于集中质量法和考虑土体弱化的非线性海床土模型,用等效浮力的方法将缓波立管浮力段简化,并在Orca Flex中建立传统钢悬链线立管和缓波立管的集中质量模型进行分析,考虑立管结构形式、浮力段长度和浮力段起始位置的影响,得到立管静态位形、触地点张力和弯矩、立管贯入深度以及触地点海床阻力等结果进行比较。结果表明:浮力段的配置会提高立管静态弯矩分布水平,但合理的缓波立管设计能有效改善立管触地区的动力响应,抑制海底沟槽的发展,达到保护立管触地区的目的。     

基于遗传算法的缓波型立管多目标集成优化

缓波型立管由于设计参数较多且优化目标之间相互影响,设计结果具有很大的不确定性。随着代理模型和智能优化算法的发展,针对缓波型立管的优化可以提出更好的解决方案。以提高力学性能和经济效益为优化目标,采用基于Kriging插值模型和NSGA-II算法的多目标优化策略,对考虑顶部浮体影响的深水缓波型立管进行动力响应分析,并开展线型—截面双目标优化集成设计和线型—浮筒三目标优化集成设计。将处于不同几何尺度的设计变量进行集成,旨在各目标存在相互竞争的情况下,与截面、浮筒设计形成有效互动以提高线型设计的总体性能。结果表明,Pareto最优解集可提供多个选择方案,以满足工程实际需要。将所选最优方案与初始设计进行对比,并以疲劳性能和成本估算作为优化的校核指标,取得了理想的优化效果。     

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。     

内波作用下海洋立管动力响应数值模拟系统

针对目前内波对海洋立管作用研究缺乏的现状,基于MATLAB开发出内波作用下海洋立管动力响应数值模拟系统NSDRI 1.0。该系统主要考虑内孤立波作用,基于m Kd V理论求解内孤立波,使用改进的Morison方程计算作用在海洋立管上内孤立波的荷载,进而求解出立管的水平位移以及应力响应。该系统界面清晰友好,操作简单,适用于顶张力立管。选取一定参数,使用该系统进行计算,并将计算结果与已发表的成果进行对比,发现结果较为吻合,从一定程度上验证了系统的可行性,可对立管的设计提供借鉴。     

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。     

张力腿平台水下丛式井口圆形布局方法研究

张力腿平台(TLP)水下丛式井口布局设计关系到立管服役期间的安全性,是含有丛式井口平台设计过程中考虑的主要因素。根据TLP立管安装、钻井以及防碰等要求,考虑尾流效应对丛式立管的影响,研究水下丛式井口布局设计准则,对丛式井口—立管系统进行碰撞分析以确定水下井口间距阈值,提出水下丛式井口圆形布局方法和相应的布局设计流程。通过算例对计算方法进行了具体运用。研究表明:与目前采用的"等边三角形网格"方法相比,水下丛式井口圆形布局方法可允许水下整体基盘安装位置误差达到水下井口间距阈值的20%,立管的最大倾角可达到0.5°,安装作业窗口增加1倍以上。本方法对水下整体基盘安装位置误差的容错能力强,能有效扩大丛式立管钻井和安装作业窗口,提高丛式立管作业安全性,研究结果可为TLP丛式井口的设计提供参考。     

基于监测数据的深水水下井口循环弯矩计算方法

水下井口的疲劳完整性是海洋油气田长期安全开采的前提。工业界往往采用贴应变片直接测量水下井口应变来计算弯矩和疲劳损伤,但水下井口应变片粘贴困难且不能长时间连续工作。采用对水下井口监测方法,基于隔水管—防喷器组—水下井口的运动和力学特性,考虑防喷器组惯性力矩建立系统耦合动力学方程,最终形成基于监测数据的水下井口循环弯矩计算方法。以南海某深水水下井口为例,建立隔水管—防喷器组—水下井口系统有限元模型并进行动态分析,提取隔水管底部张力、转角、防喷器组加速度及转角等参数,代入所建立的系统耦合动力学模型,得到水下井口弯矩与有限元计算结果吻合良好。研究表明只需通过在线监测获得所需的输入数据,无需监测水下井口应变即可获取水下井口循环弯矩。建立的系统耦合动力学模型可为水下井口疲劳完整性评估提供理论依据。     

Dynamic analysis of vessel/riser/equipment system for deep-sea mining with RBF neural network approximations

Abstract

Deep-sea mining (DSM) is an advanced technology. This article is focused on the dynamic analysis of a coupled vessel/riser/equipment system of a DSM based on radial basis function (RBF) neural network approximations while considering vessel dynamic positioning (DP) and active heave compensation (AHC). A coupled model including the production support vessel (PSV), lifting riser, and slurry pump is established containing simulated DP and AHC models. Furthermore, dynamic simulations are implemented to obtain the results of the vessel motions, thruster forces, pump motions and riser tensions. Using optimal Latin hypercube sampling, an RBF neural network approximation model is established, the input includes environmental factors and the output includes the dynamic responses of the pump motion and riser tension. Calculations are performed using RBF network approximations instead of a coupled model. The obtained results show that the PSV wave frequency (WF) motions have significant influence on the dynamic responses of the subsea system. Moreover, the current load affects the compensation effect. The RBF network approximation model can be used to reduce the required calculation time.     

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。     

内孤立波作用下顶部张紧式立管动力特性

基于内孤立波mKdV理论,采用考虑内流的细长杆动力学方程,结合改进的Morison公式,研究两层流体中内孤立波与顶张立管的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析在该内孤立波作用下某顶张立管的内孤立波载荷与运动响应,以及立管横截面弯矩及其应力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对顶张立管产生突发性的冲击载荷以及大幅度水平变形,而且还会使其横截面弯矩及其应力显著增大。因此在深海立管的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

深海采矿立管在波流载荷下的弯矩响应分析

采矿立管是深海采矿系统的重要组成部分，立管的弯矩分析是确保立管正常使用的重要指标。立管所处海洋环境复杂，且立管底部的自由边界条件使得立管弯矩特性难以分析。本文基于波浪理论，使用Abaqus 有限元软件建立海洋采矿立管的模型，运用Abaqus中的AQUA海洋工程模块，考虑立管在轴向力、自重、浮力、波浪载荷、海流载荷及模拟海上平台水平和升沉运动共同作用下，对采矿立管进行弯矩分析，计算了提升泵不同安装位置、不同中继仓重量变化对弯矩的影响，结果表明：提升泵会增大安装位置的弯矩幅度，且安装在不同位置对立管弯矩会产生叠加影响；中继仓重量的增加提高了立管整体稳定性，但会使提升泵处弯矩波动产生向中部延伸的不利影响。     

A finite difference approximation for dynamic calculation of vertical free hanging slender risers in re-entry application

The dynamic calculations of slender marine risers, such as Finite Element Method (FEM) or Modal Expansion Solution Method (MESM), are mainly for the slender structures with their both ends hinged to the surface and bottom. However, for the re-entry operation, risers held by vessels are in vertical free hanging state, so the displacement and velocity of lower joint would not be zero. For the model of free hanging flexible marine risers, the paper proposed a Finite Difference Approximation (FDA) method for its dynamic calculation. The riser is divided into a reasonable number of rigid discrete segments. And the dynamic model is established based on simple Euler-Bernoulli Beam Theory concerning tension, shear forces and bending moments at each node along the cylindrical structures, which is extendible for different boundary conditions. The governing equations with specific boundary conditions for riser’s free hanging state are simplified by Keller-box method and solved with Newton iteration algorithm for a stable dynamic solution. The calculation starts when the riser is vertical and still in calm water, and its behavior is obtained along time responding to the lateral forward motion at the top. The dynamic behavior in response to the lateral parametric excitation at the top is also proposed and discussed in this paper.     

Spar平台与刚性立管及浮力罐耦合动力研究综述

Spar平台是深水和超深水海域中极具竞争力的平台类型。Spar平台中刚性立管顶端所需的张力由月池内部的浮力罐提供,浮力罐在水平方向由导向架支撑。平台运动过程中,浮力罐及立管与平台主体发生相对运动和相互动力作用,在水平方向上发生带有空隙效应的碰撞现象,在垂向产生库仑摩擦效应。这是一种复杂的非线性多点接触耦合动力现象,对平台主体和浮力罐的运动及性能都有着重要影响。因此,无论从平台主体设计及水动力性能方面,还是从浮力罐疲劳分析及安全性方面考虑,都有必要对Spar平台与浮力罐之间的耦合动力作用进行深入的研究。在介绍目前国际上Spar平台与浮力罐相关研究情况及进展的基础上,提出了今后研究的有关建议。     

The effect of nonlinear multi-contact coupling with gap between risers and guide frames on global spar motion analysis

Nonlinear multi-contact coupling between vertical risers and guide frames inside the spar moon-pool is studied. The existing numerical model for hull/mooring/riser coupled dynamics analysis treats riser as an elastic rod truncated at the keel (truncated riser model), and the risers are free to slide in vertical direction with constant tension, while restricted in horizontal direction. The truncated riser model neglects the portion of the riser inside the moon-pool and tends to overestimate the spar pitch motion. In the newly developed model, the risers are extended through the moon-pool with realistic boundary conditions at multiple guide frames, and thus additional contact forces and moments on the spar hull are considered. The gap effects between the riser buoyancy-cans and riser guide frames are also modeled using three different types of gap springs. Their different dynamic characteristics are extensively studied. The new riser model also considers the Coulomb damping between buoyancy-cans and riser guide frames and also allows the impact-like contact force calculation on risers for ensuring fatigue analysis.