深水S型鋪設托管架基本設計關鍵力學問題研究.pdf

1、在深水海洋油氣開發(fā)中，海底管道的鋪設面臨著巨大的挑戰(zhàn)。對于大口徑管道深水鋪設，如果采用傳統(tǒng)的S型鋪設方法，管道的上彎段要承受很大的彎曲變形。為了克服這一問題，人們提出了J型鋪設法的概念，但是J型鋪設缺點是鋪設效率很低。近年來，人們在深水大口徑S型管道鋪設方面取得了突破，其中關鍵在于托管架設計技術。然而，采用深水S型鋪設仍存在很大的風險，尤其是深水托管架設計仍存在許多不確定的因素，特別是在基本設計層面。
　　深水托管架包括主結(jié)構與輔

2、助結(jié)構。主結(jié)構的作用是為管道的上彎段提供幾何邊界條件，也是托管架設計的主要研究工作。托管架主結(jié)構可以簡化為一個曲梁結(jié)構，而梁的長度與剛度是基本設計關鍵參數(shù)。為了對保證管道上彎段的約束，托管架要有足的弧長，同時也要有足夠的剛度。
　　深水托管架的設計荷載主要有托輥載荷與船體運動引起的慣性載荷。大口徑管道深水鋪設的上彎段，通過托輥對托管架施加了很大的重力荷載，而船體運動導致了該荷載分布狀態(tài)及幅值變化的不確定性;且托管架主要參數(shù)又與管道

3、參數(shù)和張緊力相關，目前這些設計參量之間的相互關系尚無明確的表達式描述。這使得托管架設計缺少相應的分析及設計理論。
　　針對托管架基本設計中涉及的復雜問題，本文首先分析了托管架基本參數(shù)與管道之間的關系。通過對下彎段分析，得到了其頂端設計張力及脫離角度的表達式，并以此為邊界條件對上彎段分析，獲得了上彎段管道與托管架基本設計參數(shù)之間的關系，得到了托管架基本參數(shù)設計模型，包括托管架曲率半徑及長度，托輥幾何參數(shù)，以及作用在托輥上的靜載荷;通

4、過將托管架結(jié)構剛度凝聚到基本設計中得到的離散點上，在這些點與管道之間設置間隙單元，得到了托管架結(jié)構設計剛度快速驗證模型。這樣利用數(shù)值分析解決了托管架基本設計中托管架幾何參數(shù)、托管架剛度和管道之間的相互關系。其次，針對鋪設時船體運動引起的動態(tài)接觸以及托管架設計動荷載，提出了深水托管架子結(jié)構試驗方法，將托管架及上彎段管道作為一個子結(jié)構，將下彎段管道及鋪管船簡化為該子結(jié)構的等效輸入和集中質(zhì)量，而不必考慮其具體物理模型，解決了深水托管架試驗幾何

5、比尺選擇的問題。利用該試驗方法分析了托管架設計動載荷的分布狀態(tài)，定義了動載荷放大因子，得到了既定船體運動下托管架設計載荷的放大因子包絡，為托管架結(jié)構設計動載荷的選取提供了借鑒。最后，在模型試驗的基礎上，對托管架結(jié)構壽命進行了預測，并基于管道分析及托管架設計結(jié)論提出了基于托管架數(shù)值模型的管道鋪設實時安全監(jiān)測方案。該方案可通過采集實時鋪設數(shù)據(jù)即時判斷管道與托管架安全狀態(tài)，這對于實際管道鋪設工程具有重要的保障作用。
　　通過數(shù)值分析及模