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。     

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。     

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。     

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。     

钢悬链线立管与海床相互作用小尺寸三维试验研究

围绕钢悬链线立管(SCR)与海床的相互作用,在水箱内开展三维试验研究,研究在不同模拟运动激励下SCR触地点的应力状态。针对当前模拟试验中,全尺寸试验耗资巨大,且试验环境难以控制,缩尺试验大多模拟立管二维运动等现状,提出一套简单易行的三维管土作用试验装置,通过横向、纵向、垂向三个方向轨道位置的合理布置,使得立管可在单向、二维耦合和三个方向同时运动,对模型立管的顶端、底端的边界条件进行处理,通过驱动器在顶端施加位移,模拟在周期运动作用下,立管触地区与土的相互作用,在三维空间内研究立管的力学特性。由此指导立管的整体设计与分析,对保证SCR在深水油气开采中的安全可靠性,具有非常重要的意义。     

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。     

深水SCR触地区管-土相互作用试验研究进展

与海床的相互作用是钢悬链线立管特有的性质,是传统立管发展中不曾遇到的问题,也是控制立管疲劳寿命的主要因素,特别是触地区出现的峰值弯曲应力和管土接触模型的不确定,成为SCR触地区研究的难点。由于立管与海床的作用机理非常复杂,因此管土相互作用模型的提出大多是建立在模型试验的基础上。通过对国内外深水SCR触地区管土相互作用试验研究案例的分析,简要介绍了SCR触地点的动态响应取决于一系列参数,如海床土刚度、加载状况、立管的提升速度、土的重塑时间和土吸力等,并设计了一套三维管-土相互作用的试验装置,能够为深水钢悬链线立管触地区管-土相互作用的试验研究提供参考。     

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。     

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。     

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。     

Cross-Flow VIV-Induced Fatigue Damage of Deepwater Steel Catenary Riser at Touch-Down Point简

A prediction model of the deepwater steel catenary riser VIV is proposed based on the forced oscillation test data, taking into account the riser-seafloor interaction for the cross-flow VIV-induced fatigue damage at touch-down point （TDP）. The model will give more reasonable simulation of SCR response near TDP than the previous pinned truncation model. In the present model, the hysteretic riser-soil interaction model is simplified as the linear spring and damper to simulate the seafloor, and the damping is obtained according to the dissipative power during one periodic riser-soil interaction. In order to validate the model, the comparison with the field measurement and the results predicted by Shear 7 program of a full-scale steel catenary riser is carried out. The main induced modes, mode frequencies and response amplitude are in a good agreement. Furthermore, the parametric studies are carried out to broaden the understanding of the fatigue damage sensitivity to the upper end in-plane offset and seabed characteristics. In addition, the fatigue stress comparison at TDP between the truncation riser model and the present full riser model shows that the existence of touch-down zones is very important for the fatigue damage assessment of steel catenary riser at TDP.     

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。     

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。     

考虑非线性管-土接触模型的钢悬链线立管触地区动态曲率分析

钢悬链线立管(SCR)具有特殊的结构型式,循环载荷作用下,由于海床模型的不确定性易导致触地区产生较高的弯曲应力,引发疲劳损伤。基于非线性P-y曲线管-土接触模型,运用大挠度曲线梁模型来模拟SCR与海床土的相互作用,研究SCR在浮体二维运动和海床作用下,触地区的动态曲率变化情况。由计算结果可知:1)由于在立管的有效张力中考虑局部曲率的影响,导致立管触地区的有效张力显著增加,并产生较高的弯矩; 2)动态分析中,分别运用线弹性海床和非线性海床模型,研究立管触地区的相对曲率随相对时间的变化曲线,表明非线性海床将使触地区的相对曲率具有明显的非线性,且有多个峰值,变化幅度较大,并出现反向曲率; 3)垂荡运动比纵荡对曲率的影响大,且运动幅值越大,影响越明显。     

Fatigue Characteristic Analysis of Deepwater Steel Catenary Risers at the Touchdown Point

This paper presents fatigue characteristic analysis of a deepwater steel catenary riser (SCR) under ambient excitations. The SCR involves complex nonlinear dynamic behaviors, especially at the touchdown point (TOP) where the riser first touches the seafloor. Owing to the significant interaction with soil, the touchdown zone is difficult to be modeled. Based on Lumped-Mass method and P-y curve, nonlinear springs are used to simulate the SCR-seabed coupled interaction. In case studies, an SCR's dynamic features have been obtained by transient analysis and the structure fatigue assessment has been carried out by S-N approach. The comparative analysis shows that the TOP is the key location where soil-riser interaction rises steeply and minimum fatigue life occurs. Parameters such as ocean environment loads, vessel motions, riser material and geometric parameters are discussed. The results indicate that the vessel motion is the principal factor for the structure fatigue lite distribution.     

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。     

Modeling touchdown point oscillation and its relationship with fatigue response of steel catenary risers

The riser-seabed interaction resulting in a trench formed in the touchdown zone (TDZ) of steel catenary risers (SCR) has a significant influence on accumulated fatigue damage. Several studies have used different trench modeling approaches to investigate the trench effect on fatigue. However, contradictory observations have been reported with no coherent agreement on the beneficial or detrimental effect of the trench on fatigue. In this study, the significance of trench geometry in fatigue damage evaluation was investigated. Using analytical and numerical approaches, a meaningful relationship was observed between the trench slope in different zones and the peak fatigue damage. A new set of rules was proposed for the qualitative assessment of the overall trend of trench effect on the variation of fatigue damage. The proposed assessment rules were validated by performing comprehensive numerical fatigue analysis. A comparison with samples of published experimental and numerical studies was also completed. It was observed that depending on the direction of the low-frequency vessel excursions, the peak fatigue damage may increase towards the near offsets and decrease towards the far vessel offset. This implied that the case dependency of the trench effect on fatigue response in different geographical locations with various environmental loads was a potential source for the contradictory results reported in previously published studies.