海沟影响下深水海洋管线成环行为研究

在深水海洋管线的安装过程中,制造工艺的偏差和外部环境的影响易导致管线上不均匀的扭矩分布,在张力的共同作用下,管线在其触地区可能出现“成环”现象,受到严重损伤,而海洋管线的触地区也是海沟集中形成的区域。为了研究海沟对海洋管线成环行为的影响,基于OrcaFlex软件和构建海沟模型的经验公式,建立了深水悬链线立管和海沟的三维数值模型。就海沟轮廓、位置和土壤属性对立管成环行为的影响展开参数分析,并研究了不同工况下成环的临界载荷。研究表明:海沟的产生和扩展、立管相对海沟的合理位置以及土壤参数中海床表面不排水抗剪强度和吸力因子的增加,可有效降低立管成环过程中的最大压缩力和最大弯矩,从而减少成环引起的损伤;临界载荷的分析则有助于对成环的临界条件进行预测,避免成环现象的发生。

基于共旋坐标法的钢悬链线立管管土作用数值分析

为分析钢悬链立管(SCR)在顶部浮体小范围垂降、侧向漂移运动下的立管触地段垂向、侧向管土作用,将立管初始贯入海床及侧向移动过程作为准静态问题,在共旋坐标框架内建立三维有限梁单元模型,并耦合p-y加载曲线模拟立管初始贯入海床过程,并对比了线性、双线性及非线性管土模型在计算管土响应上的差异,分析了立管顶部水平牵引载荷、海流作用及土体抗剪强度对立管触地段垂向管土作用的影响,进一步研究了浮体小范围漂移工况下的侧向牵引力、土体特性参数对立管触地段侧向、垂向组合的管土作用影响。结果表明:在共旋坐标框架下,非线性管土模型对立管贯入海床的响应模拟更准确;顶部水平牵引力及海流流速增大,均会导致立管贯入海床深度及垂向土阻力减小;土体抗剪强度增大导致立管贯入深度减小但垂向及侧向土阻力增大;顶部浮体侧向牵引力增大致使立管触地段的侧向位移及土阻力增大,但垂向土阻力减小;侧向摩擦系数的增大可显著提高立管触地段的侧向稳定性。本文所述共旋坐标法利用刚体与变形解耦的特性高效求解了立管全局运动及触地段的管土作用,为立管与海床作用研究提供了参考。

考虑海流效应的缓波形立管安装过程力学响应

为分析缓波形立管安装过程中的力学响应问题,基于虚功原理建立了缓波形立管安装过程的力学模型,采用有限差分与Newton-Raphson算法分别进行力学模型的离散与迭代求解,并将理论计算结果与OrcaFlex仿真结果进行了对比,验证了其可靠性。采用该模型对立管不同安装方法、海流流速及立管浮筒参数等对安装过程中立管的力学响应规律进行研究。结果表明:连续安装时,立管最大弯矩、最大剪力和顶部张力近似呈线性变化,而分段安装时则呈现相应波动;顺流安装时流速增加对立管形态影响较小,但会导致立管顶部张力变大,而逆流安装对立管形态影响较大,且流速增加,立管顶部张力减小;浮力因子增大,立管最大弯矩、最大剪力也增加,但顶部张力呈线性下降趋势;浮筒长度变化会使立管最大弯矩点发生显著变化,且随浮筒长度增加,最大剪力和顶部张力呈下降趋势。本文研究成果为缓波形立管的安装提供了参考。

钢质缓波型立管安装转移过程中的非线性力学响应

基于最小势能原理,采用将整个立管视为一个单一连续管段的研究方法,研究钢质缓波型立管安装转移过程中的非线性力学响应。该方法无须将整个立管分段进行独立研究,可简单有效处理立管-海床相互作用,避免接触探测的复杂性,对新载荷、约束或边界条件的适应非常灵活,能够提高深水立管设计应用中的数值计算效率。研究发现:立管在向水平跨距减小的转移过程中,上拱点和下垂点的高度先降低后增高,而拱弯高度先增高后降低;悬挂点处的张力不断减小,然后增大,而悬挂点处的倾角变化较小。该数值分析结果对于深水钢质缓波型立管的设计具有一定的参考价值。

内输高温高压流体海底悬跨管道的非线性涡激振动响应分析

海底管道内输的高温高压流体会引起管内较大的轴力,从而诱发管道的整体屈曲。发生屈曲的管道凸出海床表面,出现部分管道悬跨的现象,进而在海流的作用下会形成涡激振动现象。本文研究因热屈曲引起初始竖向变形的海底悬跨管道在内外流耦合作用下的涡激振动响应。首先,采用Euler-Bernoulli梁模型来模拟海底管道,通过对管道单元和内部流体单元进行受力分析,建立悬跨管道运动学平衡方程,确定内输高温流体管道的热屈曲平衡状态。然后,在方程中引入尾流振子模型,建立内输高温高压流体管道在内外流作用下的耦合动力学方程,采用Newmark-β方法对离散的涡激振动响应方程进行逐步求解,得到管道时程的振动位移、速度及加速度,确立了有初始变形管道振动的非线性振动时域预报方法。基于该方法进行算例分析,首先对比不同模态下考虑热屈曲和不考虑热屈曲的管道振型,观察热屈曲效应对于不同模态下管道振动形态的影响;通过分析管道振动频率随时间的变化趋势,结合建模过程中刚度矩阵的变化趋势,推导出管道轴力的周期性变化会引起自然频率的周期性变化;改变管道外部流体流速,观察管道振动频率、模态和幅值的变化,分析得出管道从低模态振动转为高阶模态振动时,管道从周期运动变为混沌运动,后随外流速增加又转为周期运动,此过程中管道会出现多模态振动的现象,并且多模态作用对低阶模态的振动影响较大;改变管道内部流体温度和压力,观察管道振动频率和振动幅值的变化,得到管内温度和压力的增加会导致管道振动频率的降低及管道振动幅值的增加。

基于虚拟现实技术的水下生产系统虚拟仿真系统研究

海洋石油装备的设计、制造、安装与运行是非常复杂的过程,将虚拟现实技术应用其中可以节省时间、降低成本。针对水下生产系统的作业流程研究和作业环境展示,采用3dsMax建立水下生产系统和安装、维修、拆除作业机具模型数据库,对作业流程进行工艺研究,使用多场景建模方法和C#语言编写程序脚本,基于Unity 3D引擎开发集成海上作业测试功能以及培训功能的虚拟仿真测试软件,并通过虚拟交互设备实现立体显示和人机交互,实现良好的虚拟仿真效果。实践表明,系统仿真培训部分与实际作业流程完美结合,真实再现作业流程,对开发海洋石油装备虚拟仿真培训系统具有典型借鉴意义。

水下采油树成熟度评估方法研究

水下生产设备是海洋石油作业的核心部分之一,其成熟度水平将直接影响作业效率和作业成本,因而开展对水下生产设备的成熟度评估,可为国产水下设备工程化应用奠定技术基础。鉴于目前国内相关领域研究尚不完善,本文以水下采油树为例,对其成熟度水平相关评估方法进行研究。首先对水下采油树进行关键部件分解,然后参照国际标准进行相关测试,并基于测试结果评定各部件所处技术成熟度等级。同时借鉴航天领域集成成熟度和系统成熟度技术管理理念,对水下采油树的集成成熟度和系统成熟度进行计算分析,判别采油树整体所处成熟度等级,使测试结果更具完整性和客观性。