钢悬链式立管管土耦合作用的吸力效应研究

钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)的流线段敷设在海床上,在浮体运动和环境荷载作用下管线作拔出海床的上升运动时,软质海床的黏性性质将阻碍管线的拔出而表现出吸力效应。吸力的大小与管线的拔出速度和管土循环作用次数、土的重塑时间等相关。基于现有试验数据拟合得到吸力数值模型,用于改进立管动力分析程序,研究立管拔出速度和管径等对触地区吸力分布、动态响应和疲劳寿命的影响。结果表明:海床土吸力对立管触地区应力特别是弯曲应力的影响较大,二者的变化趋势相似;管径的影响主要体现在贯入深度与管径的相对大小,同一贯入速度下,管径越小则相对贯入深度越大,拔出位移与吸力也会越大,反之则越小;立管的拔出速度是影响海床吸力最大值和拔出位移的主要因素,土吸力和拔出位移随拔出速度的增大而增大,导致触地区的疲劳损伤加剧。因此,探究管土耦合作用的吸力效应及其对SCR触地区疲劳损伤的影响,可为SCR与复杂海床相互作用及工程应用提供重要参考。

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤分析

针对钢悬链式立管的特点,采用了简化后的振动模型,在ANSYS的CAE模块中根据悬链线方程建立了立管的有限元模型,并对立管进行了模态分析。通过对前若干阶模态进行后处理,得到包括归一化振型、斜率以及曲率的模态输入文件,将此模态文件输入SHEAR7中,进行涡激振动分析,计算出立管年疲劳损伤率。计算结果表明:立管的疲劳损伤沿着立管轴线方向呈振荡性质,且最大疲劳损伤出现在边界区域,随着水流速度的增大,立管的疲劳损伤的峰值呈上升趋势。

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。

深水钢悬链式立管与浮式平台整体分析方法研究

提出了钢悬链式立管与浮式平台整体分析模型,将SCR和浮式平台作为一个系统进行整体分析,基于Cable3D程序开发出整体分析程序,并分别采用耦合法和整体分析方法分析了浮式平台作用下的SCR的运动响应及SCR对平台运动的影响,研究表明,整体分析方法可以很好的反映结构之间的动力效应,立管系统对平台的运动的响应幅值有一定影响。

钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,钢悬链式立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管,涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题。运用柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR,并根据提出的钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型,研究立管尤其是触地点处的涡激振动特性,算例表明,考虑流固耦合的两向涡激振动模型能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动,可进行均匀流场中涡激振动的研究分析;钢悬链式立管触地点处的涡激振动响应较大且复杂,应作为SCR涡激振动研究的关键点。

海床土刚度非线性的钢悬链式立管响应分析

基于大挠度柔性梁理论和弹性基础梁理论,本文建立了钢悬链式立管与海床土非线性相互作用的数学模型。用大挠度柔性梁来模拟立管的悬垂段,用弹性基础梁来模拟立管的触地段。其中触地段海床土的刚度根据管线与海床土相互作用的载荷位移曲线P-y来确定,更真实地模拟海床基础。研究表明:基于该模型开发的程序能与商用软件OrcaFlex较好地吻合,由于所开发程序可以采用较大的计算单元,其计算时间大大减少。与线性海床模型相比,通过该模型计算得到的立管触地点附近的疲劳损伤增幅1~3倍,有利于安全的设计。

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。

非线性管土作用下钢悬链式立管动力响应分析

钢悬链线立管(SCR)在上部浮体运动和波流荷载激励下会与海床土相互作用,传统的线性海床模型假定荷载位移关系是线性的,没有考虑管土相互作用的非线性过程和海床土吸力的影响,本文基于大挠度柔性索理论的钢悬链式立管动力分析程序CABLE3D,将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,并考虑海床土吸力对钢悬链式立管触地点区域的影响,开发出新的动力分析程序。程序采用非线性有限元方法对控制方程进行离散,时域内采用Newmark-β法,求解给定上部浮体运动条件下,SCR的动力响应,通过算例对线性刚度海床和非线性刚度海床进行对比,并分析了不同海床刚度对SCR触地点动力响应和疲劳损伤的影响。结果表明:非线性海床刚度模型比线性海床刚度模型更接近真实的管土作用过程;在非线性海床刚度模型下,海床土刚度越大,SCR触地点区域垂向位移响应越小,应力幅值越大,疲劳损伤越严重。

考虑海底接触的钢悬链式立管触地点动力响应以及疲劳损伤分析

基于考虑接触的钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)触地点处的结构特性,分别采用了考虑管土分离的线性截断模型以及包含土体吸力效应的帽盖模型来描述P-y曲线。通过改变上端浮体的垂荡运动幅度、土体吸力系数以及海床刚度,对SCR触地点处的动力响应以及疲劳损伤特性进行了分析。分析结果表明,SCR触地点的垂向位移、弯矩、等效应力以及疲劳损伤均随着浮体垂荡运动幅度的增加而呈上升趋势。SCR触地点的垂向位移随着土体吸力系数的增大由高幅低频响应转变为低幅高频响应。SCR触地点的疲劳损伤随着海床刚度的增加呈现先稳定再增加再稳定的趋势。

深吃水半潜式平台钢悬链式立管的强度性能

在传统半潜式平台的基础上设计深吃水半潜式平台,以达到更好的运动性能。采用三维势流理论,运用SESAM软件对平台进行水动力性能分析;运用HydroD模块对平台进行频域分析得到幅值响应函数等频域参数;运用DeepC模块对平台进行时域耦合分析,得到平台加系泊系统后的时域响应。基于深吃水半潜式平台对配套钢悬链式立管进行强度性能研究,得到立管在各个工况下的最大等效应力及其沿管长的分布。研究表明:半潜式平台在近端偏移状态下,钢悬链式立管产生最大等效应力,立管上部和触地段区域是强度的薄弱环节,触地段区域是钢悬链式立管壁厚等参数的重要控制因素。为深吃水半潜式平台的研究提供参考。

钢悬链式立管出平面涡激振动模态分析及试验验证

钢悬链式立管是目前应用最为广泛的一种深水立管形式,基于现有的钢悬链式立管出平面运动理论,提出了一个钢悬链式立管出平面涡激振动模型。该模型实现了钢悬链式立管涡激振动与刚体转动的耦合。基于该模型在CABLE3D基础上二次开发分析程序CABLE3D_Rotation模拟立管的出平面涡激振动。分析发现,考虑流固耦合作用的立管出平面涡激振动为一变频变幅的随机振动,对立管中下部响应影响较大,在立管动力分析中不应忽略。随后通过试验证明了钢悬链式立管动力响应中存在刚体转动模态,验证了提出的考虑流固耦合的非线性刚体转动模型的准确性。

钢悬链式立管出平面运动刚体模态试验研究

钢悬链式立管为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。基于钢悬链式立管刚体摆动模型,通过理论分析和模型试验,研究了钢悬链式立管出平面运动的动力学特性,验证了作者此前提出的钢悬链式立管出平面运动的刚体模态特征。研究表明,在海洋环境荷载作用下,波浪力和涡激升力引起的悬链式立管振动不仅有弯曲变形模态,也存在刚体摆动模态。对于钢悬链式立管,刚体摆动将使触地区产生附加弯矩,从而增大了应力、加速了疲劳损伤。

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。

钢悬链式立管加速度试验及仿真

针对Cable3D两向涡激振动模型模拟钢悬链式立管VIV计算精确度,本文在水槽试验基础上,对加速度时程曲线进行试验曲线、振动平衡位置、标准差、最值及区间等参数进行计算模拟。多工况数据显示Cable3D数值模拟在加速度时程、最值及区间有一定可靠及稳定性,在振动平衡位置及标准差等反应振动频率及强度等内容还存在一定差距。结构在0. 12 m/s与0. 24 m/s左右涡激振动与自振存在一定共振,表现是振动平衡位置大幅度波动,标准差、最值及区间较大程度增加。研究表明,Cable3D计算能够体现整体趋势及关键节点信息,计算精确度与商业程序接近,值得继续开发。

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。

基于Cable3D钢悬链式立管数值及试验分析（英文）

钢悬链线立管(SCR)在油气田得到广泛应用,涡激振动(VIV)是SCR研究核心问题。本文采用大挠度细长梁理论和涡激振动模型(VIV)(Cable3D涡激振动模型考虑两方向的流-结构相互作用)来求解耦合加速度。同时,对加速度时程响应进行测试和数值计算,振幅时程计算结果较为理想。通过波动平衡位置、加速度极值和标准差分析表明,考虑两向流固耦合,Cable3D可以满足响应计算精度要求,且证明了该程序对VIV分析是可靠的。文章研究成果能为Cable3D的SCR的计算和分析提供一些实用合理的建议,但提高SCR的精度仍需进一步研究扩展。

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。

钢悬链式立管刚体摆动与涡激振动耦合分析

以钢悬链式立管为研究对象，基于钢悬链式立管悬垂段静态位形的大曲率特点，提出了涡激升力作用下的钢悬链式立管刚体摆动模型，该模型假定立管为绕悬挂点与触地点连线摆动的刚体摆动系统。开发分析程序SWING—SCR，模拟立管刚体摆动响应。将刚体摆动效应以惯性力及水动力阻尼的形式与立管涡激振动模型耦合，基于CABIE3D开发动力分析程序CABLE3DVswing与CABLE3DCswing，研究立管的出平面涡激振动特性。研究表明，涡激升力作用下的刚体摆动响应能够达到与涡激振动响应相同的数量级。刚体摆动对立管悬垂段的动力响应有较大影响，在立管的出平面涡激振动分析中应予以充分考虑。

考虑海底接触的钢悬链式立管静力学行为

基于考虑海底接触的钢悬链式立管(Steel Catenary Riser,SCR)的结构特性,采用考虑管土分离的线性截断模型对p-y曲线进行描述。通过在立管顶端施加固定的水平位移模拟上端浮体的水平漂移,分别研究立管外径、立管壁厚、管内流体介质以及海流流速的变化对立管位移响应以及等效应力的影响。分析结果表明:立管位移响应随着壁厚和内部流体密度的增加呈下降趋势,随着海流流速的增加呈上升趋势,但外径变化对立管位移响应的影响却不显著。触地点处的等效应力发生了剧烈变化,从触地点到悬挂点,立管所受等效应力呈振荡波形,峰值整体呈上升趋势,波峰之间的间距逐渐增大。立管位移响应主要受立管壁厚、内部流体密度以及海流流速的影响,而立管等效应力主要受立管内部流体密度和海流流速的影响。