非平坦海床下缓波型立管转移过程中的参数分析

随着海上油气田探索及开发水域不断加深,通常会遇到有坡度的海床,这对缓波型立管的安装转移提出了更高的要求。基于虚功原理和最小势能原理,建立了缓波型立管的力学分析模型。基于该模型在非平坦海床条件下对缓波型立管转移过程做参数分析,研究海床坡度角、安装船张力、浮筒段长度、船与平台的水平间距等参数对缓波型立管转移过程的影响。研究发现:随着海床坡度角的增大,立管转移过程中的拱弯弯曲程度加剧,上拱点、下垂点均上移,悬挂点张力及最大剪力均减小;在非平坦海床下,随着影响参数的改变,立管上拱点、下垂点和悬挂点张力变化的拐点和趋势不同。该结论为在非平坦海床海洋环境下缓波型立管的设计与应用提供一定的参考。

基于神经网络优化算法的海洋动态缓波型立管设计

柔性立管连接海上平台和水下生产系统,缓波型构型可以减轻其受到的顶部张力和疲劳损伤,触地点处系链对于固定水下立管起着重要作用,然而加装系链的缓波型立管系统设计更为复杂。通过缓波型基本理论计算出合理的立管初始状态,之后使用立管分析软件OrcaFlex,在充分考虑环境因素、船体结构、立管材料和线型以及重力块、浮力块、系链等配置参数的情况下,建立缓波型立管系统有限元模型,通过静动态分析验证其满足设定的关于立管构型、张力、弯曲半径,系链张力和FPSO偏移量5个约束条件。结合神经网络优化算法和遗传算法制定出针对文中立管系统的优化算法并通过MATLAB编程将浮力块数量优化至最少,之后基于L-M算法构建神经网络模型,通过迭代训练提升精度,得到最终参数优化结果。通过对比优化前后静动态分析结果可知:优化后浮力块数量大幅减少,立管最大有效张力大幅减小,而悬挂段最低点深度有一定程度的增大,整体构型更趋向于合理的缓波型构型。

缓波形立管的复合构型响应分析

深海立管运用浮力块能有效隔离悬挂点与触地区(TDP)的动力响应,减少上部浮体运动导致管道触地区的动态屈曲等负面影响.采用集中质量法建立整体立管的非线性力学模型,应用海洋工程分析软件OrcaFlex进行数值模拟,考虑两种不同浮子段布置形式的立管构型,分别为缓波型立管(LwSCR)与赋形立管(Shaped SCR),对比二者静态力学特性.考虑南海一年一遇不规则波工况及FPSO运动,分析LwSCR与Shaped SCR重点位置的垂向运动响应,归纳两种波型优缺点,并应用于复合构型立管的构型优化中.提出两种双波复合构型的优化结构并与传统LwSCR双波型进行有效张力及垂向运动响应对比,提出一种优化后的三波复合构型,并与单波、双波构型进行力学特性及垂向运动响应对比分析.结果表明:LwSCR的整体静态有效张力低于Shaped SCR,且浮子段静态弯矩值随着高度逆差增高而增大.Shaped SCR的重点位置垂向运动响应相对更弱,采用该构型能提高立管在海流中的稳定性.但Shaped SCR构型立管暴露在海流中的长度更短,管道到达触地区域的动态响应衰退量不足.在多波复合构型优化中发现三波复合构型具有最佳运动隔离效果,在实际工程中若合理运用Shaped SCR与LwSCR的复合构型,能降低立管整体张力分布水平及触地点的运动响应,提高整体工程的安全性及立管的使用寿命.

深水柔性立管的缓波型布置及参数敏感性分析

针对某深水柔性立管进行缓波型布置设计,确定浮力块的尺寸和位置,顶部悬挂角和管内流体密度等主要布置参数。运用集中质量法建立分析模型,并在此基础上研究柔性立管的初始形状、曲率和张力对不同总体布置参数的敏感性及变化规律,得到一些有用的结论可作为柔性立管总体布置设计的参考。

基于遗传算法的缓波型立管多目标集成优化

缓波型立管由于设计参数较多且优化目标之间相互影响,设计结果具有很大的不确定性。随着代理模型和智能优化算法的发展,针对缓波型立管的优化可以提出更好的解决方案。以提高力学性能和经济效益为优化目标,采用基于Kriging插值模型和NSGA-II算法的多目标优化策略,对考虑顶部浮体影响的深水缓波型立管进行动力响应分析,并开展线型—截面双目标优化集成设计和线型—浮筒三目标优化集成设计。将处于不同几何尺度的设计变量进行集成,旨在各目标存在相互竞争的情况下,与截面、浮筒设计形成有效互动以提高线型设计的总体性能。结果表明,Pareto最优解集可提供多个选择方案,以满足工程实际需要。将所选最优方案与初始设计进行对比,并以疲劳性能和成本估算作为优化的校核指标,取得了理想的优化效果。

多浮筒段缓波型立管向量有限元分析

单浮筒段的缓波型柔性立管存在着局部张力或者弯矩过大的情况,并且有着位型拱起过高等问题.针对单浮筒段的缓波型柔性立管存在的这些问题,对多浮筒段的缓波型柔性立管进行研究,基于Fortran通过向量式有限元(VFIFE)法建立了缓波型柔性立管的数学模型,并且通过改变浮筒段的数量、浮筒段的间距、浮筒段的单位浮力、部分浮筒段的浮力损失、海流的速度、浮筒段的位置对多浮筒段的缓波型立管进行静力计算,分析上述条件的改变对静力平衡状态下的缓波型立管的影响;并在实际海况下模拟出悬挂点垂荡激振,对悬挂点垂荡激振下的多浮筒段缓波型立管开展响应特性研究,分析了管段中部的最大弯矩、悬挂点处的最大有效张力以及速度分量的整体动态分布变化.发现在不改变浮筒段单位浮力的情况下,仅通过调整浮筒段数量、间距或者位置是无法同时降低立管顶部的最大有效张力与立管中部的最大弯矩的.除此之外,立管的整体构型也需要进行考虑.只有兼顾浮筒段数量、间距以及位置这三者对立管中部的最大弯矩、悬挂点处的最大有效张力以及立管的整体构型的影响才能获得缓波型立管的最优布局;同时还发现,随着浮筒段数量的增加,多浮筒段缓波型立管能够更好地限制立管的纵向运动,这对限制立管的疲劳损伤有一定的现实意义.

转塔式系泊FPSO中的缓波型立管水动力分析

基于凝集质量法,通过改变浮块的数量和分布位置对传统缓波型立管的结构形状进行改进。结合墨西哥湾200 m水深转塔式系泊浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)工程实例,对改进型缓波型立管和传统型缓波型立管在极限工况下的有效张力和曲率分布进行对比分析,对转塔脱离FPSO前后2个过程、2种缓波型立管和简单钢悬链立管在触地点处的极限强度进行校核,得出极限工况下3种立管在转塔脱落过程中触地点处的动态响应特性和极限强度,为工程中立管结构形状的选取提供参考。

缓波型柔性立管构型优化及敏感性分析

针对缓波型柔性立管存在的波型较陡和浮子段张力较大的问题,对其进行优化,将单波构型优化为双波构型,运用集中质量法对改进前后的2种结构形式进行分析,确认双波构型在静力和动力响应下的张力及弯曲特性更优。在此基础上,对双波型柔性立管进行敏感性分析。在静力状态下,悬挂点和第2段浮子段末端对浮子段间隔和浮子段长度敏感;在动力响应下,悬挂段到第1段浮子段的张力变化和最小弯曲半径对浮子段间隔和大悬挂角非常敏感。研究得到的敏感性参数结论可作为缓波型柔性立管总体布置设计的参考。为提升缓波型柔性立管的性能,可合理增加浮子段与浮子段的间隔和悬挂角,但同时要满足规范的要求,避免关键部位动力响应过大。

缓波型柔性立管涡激响应数值模拟

缓波型柔性立管的涡激振动问题是当前海洋工程界的研究热点。本文基于Milan尾流振子模型,通过OrcaFlex软件及悬链线方程,考虑缓波型柔性立管的几何非线性及三维效应,基于等效原则将缓波型柔性立管转换为直立立管进行分析,同时探讨了不同浮子段覆盖率对缓波型柔性立管涡激振动特性的影响规律,给出了立管不同轴向位置处的运动轨迹,为揭示缓波型柔性立管涡激运动特征提供了借鉴。

非线性海床作用下缓波型柔性立管疲劳分析

相较于传统的悬链线型立管,缓波型柔性立管能够有效改善立管的动力响应、强度及疲劳,达到延长其使用寿命的目的。基于集中质量法和非线性海床土模型,借助Orca Flex软件建立缓波型柔性立管的集中质量模型,并考虑非线性海床强度下和不同浮子段位置下缓波型柔性立管触地点的有效张力、弯矩和贯入深度。结果表明,缓波型柔性立管能有效改善立管触地区的动力响应,浮子段的合理布置可以有效改善立管的累计疲劳,延长其使用寿命。

深水缓波型刚性立管的设计方法

缓波型刚性悬链线立管具有良好的力学性能和较低的成本,适用于深水油气田开发。详细阐述缓波型刚性悬链线立管的设计准则和设计流程,给出分布式浮块的设计方法和等效原则,推导等效水动力参数的计算公式。通过静力分析,得到浮块的布置位置和浮力系数对立管形态、顶端张力和弯矩分布的影响。通过动力分析,得到沿管等效应力响应的分布规律,为缓波型刚性悬链线立管的设计提供参考。

缓波型非粘接柔性立管的干涉敏感性

针对非粘接柔性立管在波浪和海流作用下易发生立管干涉的问题,以我国南海某油田输油立管和相邻锚链为例,分别对拖曳力系数、管道单位长度质量、外径、内部介质密度、立管抗拉弯扭刚度和悬挂角度等参数进行敏感性分析,得出不同参数的敏感性情况,并在此基础上提出一些建议供实际工程设计参考。

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。

考虑管土作用及内流影响的缓波型立管动力响应分析

目的:海洋立管在浮体运动及环境载荷的影响下与海床发生管土接触作用,该类管土作用对立管结构强度有重大影响。为保证缓波型立管结构的安全性,要合理确定管土接触载荷。方法:基于Randolph和Quiggin提出的非线性海床模型,利用OrcaFlex建立集中质量模型。在考虑管土相互作用的基础上,探讨浮体偏移、海床土体属性及相关参数和管内流体对立管动响应的影响,提取立管张力、弯矩、贯入深度、管土作用力等结果进行比对分析。结果:浮体偏移及土体抗剪强度变化对立管触地段的影响较为显著,立管贯入深度及管土作用力受其影响较大,相较于初始状态下的0.0319 m的贯入深度以及1934.2 N/m的管土作用力,近偏状态下的立管贯入深度达到0.0726 m,远偏状态下的管土作用力达到3005.8 N/m;流体密度变化带来的影响相较于流速变化更突出,内流速度变化对立管动力响应的影响甚微。结论:相关结论可为立管设计提供一定参考。