深海懸鏈線立管觸地區(qū)域疲勞及可靠性研究.pdf

1、立管是連接海床和海洋平臺(tái)的細(xì)長(zhǎng)柔性構(gòu)件，主要用于鉆井和油氣輸送等。在各種類型的立管中，懸鏈線立管因具有安裝簡(jiǎn)便、成本低、適合應(yīng)用于多種平臺(tái)類型等優(yōu)點(diǎn)而在深海油氣開(kāi)采中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。盡管懸鏈線立管集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，但其特殊的布置形式所帶來(lái)的疲勞損傷一直是海洋工程領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。如果能夠充分考慮懸鏈線立管承受的環(huán)境載荷，并合理的模擬立管與海床的相互作用，那么可以大大提高觸地點(diǎn)疲勞損傷的預(yù)報(bào)精度，從而避免偏大的安全因子給立管制造帶來(lái)的

2、額外費(fèi)用。
　　本文作為國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于海流隨機(jī)性的深海立管渦激振動(dòng)疲勞壽命概率預(yù)測(cè)方法研究”、國(guó)家重大科技專項(xiàng)“深水海底管道和立管工程技術(shù)”和海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題“深海立管多模態(tài)渦激振動(dòng)疲勞損傷特性研究”的重要組成部分，旨在深入研究深海懸鏈線立管觸地點(diǎn)附近的疲勞損傷特性，并建立合理的疲勞損傷評(píng)估體系。
　　本文根據(jù)國(guó)際上懸鏈線立管觸地點(diǎn)疲勞損傷的最新研究動(dòng)向，對(duì)懸鏈線與海床的相互作用、渦激振動(dòng)的頻域

3、和時(shí)域預(yù)報(bào)技術(shù)、觸地點(diǎn)的疲勞損傷特性及可靠性等開(kāi)展了深入的研究，取得了積極的成果。論文的主要研究工作如下:
　　(1)總結(jié)了已公布的管土作用實(shí)驗(yàn)和渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并詳細(xì)歸納了平臺(tái)系統(tǒng)耦合響應(yīng)預(yù)報(bào)技術(shù)、管土作用模型、渦激振動(dòng)模型以及立管疲勞分析方法的研究，闡述了有待補(bǔ)充和完善的內(nèi)容。
　　(2)根據(jù)頻域轉(zhuǎn)時(shí)域理論，利用頻域水動(dòng)力系數(shù)開(kāi)發(fā)了浮體時(shí)域單元。采用考慮幾何非線性的三節(jié)點(diǎn)桿單元和梁?jiǎn)卧M系泊索和立管，并通過(guò)推導(dǎo)的多點(diǎn)約束

4、連接浮體單元與桿單元和梁?jiǎn)卧?，將浮體系統(tǒng)通過(guò)有限元組裝到統(tǒng)一矩陣下，從而構(gòu)建浮體系統(tǒng)全耦合預(yù)報(bào)模型。
　　(3)基于梁-彈簧模型編制立管初始嵌入海床的靜力分析程序，研究了立管最大嵌入深度、海床剛度和立管重量對(duì)觸地區(qū)域立管形狀的影響。討論了已有的海床溝槽模型，指出其中的不足，并根據(jù)墨西哥灣現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的溝槽形狀提出了全新的海床溝槽模型。根據(jù)大尺度模型實(shí)驗(yàn)得到的垂向管土作用力的特性，提出了線性滯后的管土作用模型;海床的側(cè)向作用通過(guò)與海床嵌

5、入深度有關(guān)的彈簧模擬。結(jié)合溝槽模型、管土垂向和側(cè)向作用模型，開(kāi)發(fā)了與深海懸鏈線立管匹配的觸地單元，并通過(guò)定性分析證明了觸地單元能夠有效的捕捉管土作用吸力的產(chǎn)生和釋放過(guò)程。
　　(4)對(duì)剛性圓柱體受迫振蕩和自激振蕩得到渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間的一致性進(jìn)行了分析，提出了順流渦激振動(dòng)不同激發(fā)模態(tài)能量輸入疊加區(qū)域的處理原則，在此基礎(chǔ)上，利用受迫振蕩實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了深海立管橫流和順流渦激振動(dòng)頻域預(yù)報(bào)模型，并通過(guò)一系列大尺度立管渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)

6、證分析。利用開(kāi)發(fā)的頻域程序研究了觸地區(qū)域存在對(duì)渦激振動(dòng)誘發(fā)的觸地點(diǎn)響應(yīng)的影響進(jìn)行了分析，闡明了傳統(tǒng)截?cái)嗄Ｐ偷玫接|地點(diǎn)響應(yīng)的不合理之處。
　　(5)針對(duì)渦激振動(dòng)頻域模型固有的缺陷，本文提出了適合渦激振動(dòng)時(shí)域分析的立管單元鎖定判斷準(zhǔn)則，并建了橫流和順流耦合渦激振動(dòng)時(shí)域預(yù)報(bào)模型，然后通過(guò)頂端張緊式立管和懸鏈線立管的渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了懸鏈線立管模態(tài)振型所在的平面，并驗(yàn)證了渦激振動(dòng)頻域和時(shí)域預(yù)報(bào)方法將二維有限元模型得到的模態(tài)

7、代替三維有限元模型模態(tài)的合理性。將管土作用模型與渦激振動(dòng)時(shí)域模型結(jié)合，研究了海床參數(shù)對(duì)觸地區(qū)域響應(yīng)模態(tài)以及懸鏈線立管整體響應(yīng)位移的影響。
　　(6)采用雨流計(jì)數(shù)法編制了疲勞損傷計(jì)算程序，并通過(guò)比較渦激振動(dòng)誘發(fā)的立管實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推趽p傷的數(shù)值結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于渦激振動(dòng)的頻域預(yù)報(bào)模型，對(duì)比分析了三種多模態(tài)誘發(fā)的疲勞損傷計(jì)算方法，并為橫流和順流渦激振動(dòng)分別推薦了合適的方案。采用全耦合程序和渦激振動(dòng)時(shí)域方法對(duì)深海懸鏈線立管進(jìn)行了相

8、應(yīng)分析，討論了觸地區(qū)域的疲勞損傷對(duì)波浪參數(shù)和海床參數(shù)敏感性。比較了時(shí)域和頻域方法得到的渦激振動(dòng)誘發(fā)的觸地區(qū)域疲勞損傷，進(jìn)一步分析了前面推薦方案的合理性。
　　(7)分析了立管疲勞可靠性及疲勞安全因子的計(jì)算方法，并編制了響應(yīng)面法、蒙特卡洛法和Rosenblueth法程序。結(jié)合全耦合模型和頻域渦激振動(dòng)預(yù)報(bào)模型，研究了渦激振動(dòng)誘發(fā)的觸地點(diǎn)疲勞損傷概率分布特征、疲勞失效概率對(duì)不確定性因素的敏感性，討論了全耦合響應(yīng)和渦激振動(dòng)誘發(fā)的年疲勞失效