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。     

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。     

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。     

自由站立式立管总体运动疲劳分析

由于良好的疲劳特性,自由站立式立管(FSHR)正广泛应用于深海油气田的开发当中。首先根据设计参数建立FSHR详细的有限元模型,然后利用谱分析方法对FSHR进行总体运动疲劳分析,以确定FSHR总体设计参数是否满足运动疲劳要求。最后对工作于相同环境下的钢悬链立管(SCR)进行总体运动疲劳分析,探讨哪种立管系统的疲劳性能更为优良。计算结果表明FSHR系统中刚性主管最大运动疲劳损伤出现在刚性主管顶部,FSHR总体设计参数满足规范要求;FSHR总体运动疲劳寿命要远大于SCR,体现了FSHR系统对浮体运动与刚性主管之间具有良好的解耦作用。     

深水立管设计标准中内波作用的分析与探讨

深水立管的设计、建造以及安装都必须依据相关规范进行,中国当前尚未出台专门针对立管设计的相关标准,现阶段还是以参考国外规范为主。本文首先对立管设计、安装中涉及的相关规范和工业标准进行介绍,论述当前国外API、ABS和DNV设计规范中关于深水立管环境条件及其载荷的相关规定,然后针对中国南海等海域普遍存在的内波现象,分析了内波尤其是内孤立波对顶张力立管的影响,结果表明,内孤立波会引起立管较大的位移以及较高的应力幅值,需要在设计分析中加以考虑。最后对中国在引入API、ABS和DNV等相关规范设计深水立管时提出相应的建议,以期为南海海域油气开发中立管的设计提供参考。     

基于进化策略的顶张力立管海底井口布置方法研究

顶张力立管(TTR)在使用过程中,由于恶劣的工作环境,由多根立管构成的立管束容易发生立管间的碰撞。碰撞一旦发生将对立管的性能产生严重影响。立管在海底井口的合理布置可以有效地减少立管间碰撞的发生。进化策略(Evolution Strategy,ES)是一种快速可靠的遗传算法。考虑到当前进行端口布置时计算量大、计算时间长的问题,将ES应用于顶张力立管海底端口布置的问题上,采用简化模型进行端口布置优化设计,同时对于立管数目较多时,提出将立管进行分组计算的方法,在保证结果正确性的基础上提高计算的快速性。将计算结果与lingo软件计算结果进行了对比,证实了方法的有效性。     

海洋柔性立管弯曲加强器参数敏感性分析

针对海洋立管弯曲加强器所受环境载荷与功能载荷的特点,基于有限元法对某海洋柔性立管弯曲加强器结构进行数值分析。通过有限元分析软件建立了弯曲加强器与柔性立管组合等效模型,重点讨论了弯曲加强器的设计参数对其自身防弯性能的影响,根据弯曲加强器的曲率及柔性立管的应力分布,对弯曲加强器结构进行优化设计,得到结论可供设计参考。     

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。     

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。     

复杂载荷作用下立管触地段损伤管道的动力响应

触地段(Touchdown zone, TDZ)是在役钢悬链线立管(Steel catenary riser, SCR)的关键部位,在复杂载荷作用下,极易形成损伤缺陷,其载荷寿命的评估是深海结构工程中的一个关键问题。本文以大型有限元软件ABAQUS为平台,运用损伤管道实体单元与土弹簧阻尼单元相互作用的模型模拟触地段损伤海底管道在复杂载荷作用下的动力响应,数值计算考虑了管-土相互作用过程中的材料非线性、几何非线性以及接触非线性。讨论了单一环向体积损伤位于触地段管道的不同位置时,触地段损伤管道在不同载荷作用下的动力特性及特征点的动力响应。结果表明,管道所受内外压力以及管道提升端的竖向位移载荷会影响结构的自振频率;体积损伤部位的动力响应较完好部位更剧烈;体积损伤的位置和动力载荷频率对管道动力放大系数的影响很大;当动力载荷的激励频率越接近结构基频时,损伤管道的动力响应及动力放大系数越大。     

钢悬链式立管与非线性海床土相互作用分析方法研究

对基于大挠度柔性梁理论的立管动力分析程序CABLE 3D改编,将原程序中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,使新程序中立管与海床土的相互作用遵循p-y曲线。采用伽辽金方法在空间内离散立管的动态方程,最终采用Newmark-β法进行时域内迭代求解。利用改编后的新程序分别研究了立管与线性海床土和非线性海床土相互作用的对比以及不同垂荡幅值情况下立管的动态响应。研究表明,非线性海床土能够更加准确地模拟真实的管土相互作用,触地点区域的节点会经历不同的管土相互作用过程。     

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。     

随机波作用下海床动态响应分析

真实的海洋波浪是随机的,而前人对海床的动态响应分析大都是选用线性波或者Stokes波理论,对海床的模拟大都采用Biot拟静力模型,忽略了流体速度及土体位移加速度的影响。联合使用Longuet-Higgins随机波模型(采用Jonswap谱)以及动力u-p形式的海床响应计算模型,使用COMSOL Multiphysics多场耦合软件的PDE模块输入方程进行有限元计算,得到随机波作用下整体海床动态响应结果。将随机波结果与一阶Stokes波和椭圆余弦波结果进行对比,并对渗透系数和饱和度进行参数分析,研究表明渗透系数和饱和度对于随机波作用下海床动态响应影响显著。     

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.     

Stability and liquefaction analysis of porous seabed subjected to cnoidal wave

Cnoidal wave theory is appropriate to periodic wave progressing in water whose depth is less than 1/10 wavelength. However, the cnoidal wave theory has not been widely applied in practical engineering because the formula for wave profile involves Jacobian elliptic function. In this paper, a cnoidal wave-seabed system is modeled and discussed in detail. The seabed is treated as porous medium and characterized by Biot's partly dynamic equations (u–p model). A simple and useful calculating technique for Jacobian elliptic function is presented. Upon specification of water depth, wave height and wave period, Taylor's expression and precise integration method are used to estimate Jacobian elliptic function and cnoidal wave pressure. Based on the numerical results, the effects of cnoidal wave and seabed characteristics, such as water depth, wave height, wave period, permeability, elastic modulus, and degree of saturation, on the cnoidal wave-induced excess pore pressure and liquefaction phenomenon are studied.     

Numerical study on mode curvature for damage detection of a drilling riser using transfer matrix technique

In order to prevent marine pipeline accidents caused by corrosion defect, crack or loose contact, the technique of non-destructive testing or examination (NDT or NDE) becomes great important in the flied of structural health monitoring (SHM) in ocean engineering. The objective of this study is to propose a numerical method to localize and size the structure damage of a drilling riser. One theoretical development is a simple and effective algorithm used for ocean risers’ mode extraction and damage detection based on the transfer matrix technique. The merits of the developed method are that damage of risers with different boundary conditions and variable cross-sections can be localized and sized. Additionally, the relationships between damage locations and modes are discussed by comparing mode shape difference, mode curvature and mode curvature difference. Numerical results show that mode curvature values of damaged elements have little influence on those of intact elements. Based on this fact, a damage index method is developed to evaluate damage severities and explore the influence of single and multiple damage severities on damage indexes. More importantly, the outcomes are verified to be accurate enough to indicate the feasibility and reliability of the numerical method by the standard FEM package.     

Hull/mooring/riser coupled dynamic analysis and sensitivity study of a tanker-based FPSO

A computer program is developed for hull/mooring/riser coupled dynamic analysis of a tanker-based turret-moored FPSO (Floating Production Storage and Offloading) in waves, winds, and currents. In this computer program, the floating body is modeled as a rigid body with six degrees of freedom. The first- and second-order wave forces, added mass, and radiation damping at various yaw angles are calculated from the second-order diffraction/radiation panel program WAMIT. The wind and current forces for various yaw angles of FPSO are modeled following the empirical method suggested by OCIMF (Oil Company International Marine Forum).

The mooring/riser dynamics are modeled using a rod theory and finite element method (FEM), with the governing equations described in a generalized coordinate system. The dynamics of hull, mooring lines, and risers are solved simultaneously at each time step in a combined matrix for the specified connection condition. For illustration, semi-taut chain-steel wire-chain mooring lines and steel catenary risers are employed and their effects on global FPSO hull motions are investigated. To better understand the physics related to the motion characteristics of a turret-moored FPSO, the role of various hydrodynamic contributions is analyzed and assessed including the effects of hull and mooring/riser viscous damping, second-order difference-frequency wave-force quadratic transfer functions, and yaw-angle dependent wave forces and hydrodynamic coefficients. To see the effects of hull and mooring/riser coupling and mooring/riser damping more clearly, the case with no drag forces on those slender members is also investigated. The numerical results are compared with MARIN's wave basin experiments.     

海洋环境荷载下输液立管的静、动力特性研究

考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用 ,建立海洋立管侧向运动微分方程。用Hermite插值函数离散 ,在微机上编写海洋立管静、动力分析程序 ,通过计算分析研究管内流体对立管侧向变形和应力的作用 ;另外 ,探讨管内流体的流动速度和立管顶端的预张力对立管动力特性的影响。结果表明 ,立管变形和应力均随管内流体流动速度增加而增大 ,同时内流速度的增大会降低立管的固有频率 ,但适当增大立管顶端预张力会抵消内流流速增加引起的固有频率下降。     

偏心荷载作用下条形浅基础荷载-变形特性数值分析

在主应力方向的旋转过程中,主应力方向与塑性主应变增量方向之间存在着非共轴现象。基于屈服角点结构非共轴理论,建立了一种非共轴本构模型,通过有限元软件ABAQUS的二次开发子程序UMAT,将该模型运用到有限元数值计算中。首先,对中密砂单剪试验进行数值模拟,研究了非共轴现象及其对应力-应变关系的影响。然后,针对偏心荷载作用下条形浅基础荷载-变形特性进行数值分析,研究了非共轴现象对荷载-位移关系的影响。研究结果表明:非共轴模型计算得到的荷载增长速度滞后于共轴模型计算结果的增长速度;在地基变形的初期,非共轴现象比较明显,主应力方向的减小速度要滞后于塑性主应变增量方向的减小速度;随着地基沉降的增加,非共轴现象逐渐减弱;非共轴模型与共轴模型计算结果之间的差异在应变硬化情况下更加明显。     

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。