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。

基于全耦合模型和管土作用模型的深海悬链线立管触地区域疲劳特性分析

利用建立的浮体、立管和系泊索全耦合模型预报悬链线立管(SCR)的顶端响应,并作为立管详细有限元模型的顶端边界条件,进行疲劳响应分析.在全局有限元分析中,SCR与海床的相互作用通过开发的触地单元模拟,该单元能够考虑海床吸力的产生和释放过程,以及海床沟槽的形状.针对不同的海床参数,计算了SCR触地区域的响应,并通过雨流计数法进行了疲劳损伤分析,得到了触地区域的疲劳损伤对海床参数的敏感性.

三种不同管土相互作用模型在触地区立管运动模拟中的比较研究

选择恰当的管土相互作用模型,对于准确描述海洋悬链线立管在触地区的动力响应至关重要。首先总结分析了国内外已有的三类典型管土作用模型,并基于三种模型计算模拟了触地区管道的竖向运动过程,计算结果与试验数据进行了对比验证。选用的三类模型均包括四个管土作用状态,即未接触、初始贯入、上拔和再贯入。研究发现:RQ模型对管道远端管道埋深的预测结果远比试验值小,明显低估了管道的触地区范围;AB模型可以考虑管道的开槽效应,但对于土体强度弱化估算不准,预测的管道埋深远低于试验值;ABY模型能够考虑土体强度的循环弱化,但在模拟管土相互作用时会严重低估土体的强度,预测的管道远端的埋深远大于试验值,这可能导致对管道疲劳寿命的估计错误,需对其进行必要的修正。

钢悬链线触地区管土作用模型试验

针对立管触地区疲劳寿命预测时摩擦系数选取存在随机性导致计算结果不准确,从而对立管安全性估计不足的问题,配置了5种粒径分布不同的土壤,制作了6种不同尺寸参数的立管模型,通过测量及分析计算得到立管模型与海底土壤之间的摩擦系数。对600组结果进行统计分析,得到摩擦系数大小与土壤有效粒径及摩擦系数的变异系数与土壤有效粒径的关系,并绘制出摩擦系数范围曲线,为今后预测立管触地区疲劳寿命提供准确依据,同时为立管相关计算提供参考。结果表明:立管与海底土壤之间的滑动摩擦系数随着土壤的有效粒径增大而增大;立管与土壤之间滑动摩擦系数的变异系数随着土壤有效粒径的增大而减小。

深海钢悬链立管管土相互作用研究进展

从试验和数值模拟两个方面总结评述了近年来钢悬链立管管土作用方面的研究成果。在试验方面,阐述了钢悬链立管管土作用的非线性行为及其对管道应力和弯矩的影响,其中海床吸力、海床刚度衰减和沟槽的形成增加了钢悬链立管管土作用的复杂性;在数值模拟方面,重点阐述了节点弹簧约束模型,将钢悬链立管看作一根置于一系列非线性弹簧上的梁,利用P-y曲线来表示海床刚度;同时对今后需要继续深化的研究进行了展望,为国内钢悬链立管管土相互作用研究提供了参考。

向量式有限元法在管土相互作用中的应用

向量式有限元法是基于向量式力学和数值计算的一种创新性的结构行为分析方法。文章采用三种弹簧模型模拟海床,将向量式有限元法用于钢悬链线立管触地段与海床土体相互作用研究中,编制相应Matlab求解程序,计算了端部施加一定位移下立管的位形和弯曲应力,并与他人基于有限差分法及ABAQUS的模拟结果进行对比,同时运用该方法分析了弹簧模型、土体刚度、土体吸力系数等参数对立管触地段变形和弯曲应力的影响。结果表明向量式有限元法在模拟静态端部位移加载下的管-土相互作用是准确和可行的,能够直接求解变形和内力,具有相对简洁性,此方法是对立管力学行为的模拟,符合实际运动变形过程。为模拟管-土相互作用提供了新方法,同时为进一步研究实际循环载荷下管-土相互作用奠定了基础。

复杂载荷作用下立管触地段损伤管道极限内压承载力的数值分析

触地段(TDZ)为在役钢悬链线立管(SCR)的关键部位之一,由于环境侵蚀和载荷作用可能形成损伤缺陷。利用有限单元法建立管—土相互作用的三维有限元分析模型,并基于ABAQUS有限元软件数值分析了体积损伤位置因素及提升端位移载荷、环境外压等载荷因素对损伤管道极限内压承载力的影响。结果表明,当体积损伤分布于TDZ管道不同的环向位置和轴向位置时,其极限内压呈一定的变化规律;当管道所受提升端位移载荷增加时,管道的极限内压逐渐降低;而环境外压对管道的极限内压承载力影响较大,管道所受的环境外压越大,其极限内压承载力越高。

考虑非线性管-土接触模型的钢悬链线立管触地区动态曲率分析

钢悬链线立管(SCR)具有特殊的结构型式,循环载荷作用下,由于海床模型的不确定性易导致触地区产生较高的弯曲应力,引发疲劳损伤。基于非线性P-y曲线管-土接触模型,运用大挠度曲线梁模型来模拟SCR与海床土的相互作用,研究SCR在浮体二维运动和海床作用下,触地区的动态曲率变化情况。由计算结果可知:1)由于在立管的有效张力中考虑局部曲率的影响,导致立管触地区的有效张力显著增加,并产生较高的弯矩; 2)动态分析中,分别运用线弹性海床和非线性海床模型,研究立管触地区的相对曲率随相对时间的变化曲线,表明非线性海床将使触地区的相对曲率具有明显的非线性,且有多个峰值,变化幅度较大,并出现反向曲率; 3)垂荡运动比纵荡对曲率的影响大,且运动幅值越大,影响越明显。

改进的Winkler弹性地基模型在触地段动力分析中的应用

为了研究海洋立管触地段损伤管道在复杂荷载作用下的动力响应,本文基于Winkler弹性地基模型确定土体抗力及其分布,同时结合我国南海的地质条件,利用有限单元法将土体抗力离散成土弹簧,建立改进的Winkler弹性地基模型,并由室内模型试验验证该模型的正确性。通过将此模型应用于全尺寸损伤海底管道的动力分析,研究了触地段损伤管道不同节点的动力响应,结果与实际情况吻合,取得了良好的应用效果。表明该模型对处理实际的问题是有价值的,随着针对触地段管道研究的深入,这种价值也必然会得到越来越多的体现。

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。

钢悬链线立管清管过程触底段位移变化规律试验研究

钢悬链线立管(steel catenary riser,简称SCR)是一种优质的深水开发设备,近几年广泛用于深海环境下油气资源的开采。在浮式平台的周期性升沉运动和海浪海流的载荷作用下,立管的触底区会产生较为严重的疲劳破坏问题。为保证深海立管的高效与安全运行,清管作业是一项必要的维护手段。目前对于清管载荷作用下钢悬链线立管的位移变化规律研究比较匮乏。基于ABAQUS有限元软件和缩比试验准则,设计并开展有关清管载荷作用下钢悬链线立管的位移变化规律的缩比模型试验研究,从清管载荷的大小和作用位置等角度分别研究立管的X向与Y向的位移变化特征。研究结果表明,清管器在立管的触底段中运行并逐渐靠近触底点的过程中,清管器所在立管处的X向与Y向的位移会产生逐渐减小的趋势;当改变清管载荷的大小时,对于立管的同一位置来说,清管载荷的变化会导致立管的X向位移产生较Y向位移更加显著的变化;在清管器通过立管某一位置的前后过程中,X向位移变化呈现先增大后减小的趋势,而Y向位移仅在清管器通过该处时会有明显的减小。

复杂载荷作用下立管触地段损伤管道的动力响应

触地段(Touchdown zone, TDZ)是在役钢悬链线立管(Steel catenary riser, SCR)的关键部位,在复杂载荷作用下,极易形成损伤缺陷,其载荷寿命的评估是深海结构工程中的一个关键问题。本文以大型有限元软件ABAQUS为平台,运用损伤管道实体单元与土弹簧阻尼单元相互作用的模型模拟触地段损伤海底管道在复杂载荷作用下的动力响应,数值计算考虑了管-土相互作用过程中的材料非线性、几何非线性以及接触非线性。讨论了单一环向体积损伤位于触地段管道的不同位置时,触地段损伤管道在不同载荷作用下的动力特性及特征点的动力响应。结果表明,管道所受内外压力以及管道提升端的竖向位移载荷会影响结构的自振频率;体积损伤部位的动力响应较完好部位更剧烈;体积损伤的位置和动力载荷频率对管道动力放大系数的影响很大;当动力载荷的激励频率越接近结构基频时,损伤管道的动力响应及动力放大系数越大。

海洋立管触地段横向地震动响应的试验研究

建立一套立管与海床相互作用的模型试验系统。开展了管-土作用模型在振动台上的模态试验和地震动试验,得到了管-土作用模型的横向固有频率和相应振型、沿立管触地段以及与其相邻的水平段和悬垂段轴向和环向的一些特征点在地震作用下的地震动响应。试验结果表明:横向地震作用下,立管水平段的应变响应非常小;立管触地段海底管道的应变响应很大,是立管结构最易产生损伤的关键部位;立管悬垂段也表现出较大的应变响应,是立管产生损伤的另一个关键部位;在横向地震作用下立管触地段侧边较正上方和正下方更易产生损伤;模型试验的成果丰富了海洋立管动力模型试验的研究内容,为优化海洋立管抗震设计、评估在役油气管道的抗震安全提供了科学依据。

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。

钢悬链线立管触地区管-土相互作用试验研究

为研究浮体运动、海床刚度对立管顶端张力和触地区动力响应的影响,开发了一套小比尺钢悬链线立管(Steel Catenary Riser,SCR)整体分析试验装置。以实际工作水深为900m的一根SCR为研究对象,模型缩尺为1:435。用异步电机在水平、竖向和转动方向施加位移,幅值为?50mm;模型管材料为硅胶,其顶端自由悬挂在位移施加端,相当于铰接;在触地区选择不同刚度的湿泡沫、干泡沫和玻璃模拟海床。通过试验得到立管触地区的运动响应和顶端张力的时程曲线。与Orcaflex的计算结果进行比较,吻合得较好。结果表明:激励运动的方向对立管触地区的运动幅值和顶张力的影响不大,而运动频率与海床刚度对它们的影响较大。

深水钢悬线立管触地区力学特性数值模拟分析

通过将钢悬线立管与海床土体的相互作用模拟成为一根置于一系列非线性弹簧上的梁单元,根据海底土体P-y曲线,对钢悬线立管与海底土体之间的相互作用进行了数值模拟分析,研究了海底形成的沟槽形状、沟槽的最大深度及触地点附近立管的弯矩变化。研究结果表明:钢悬线立管在循环位移作用下,在靠近立管加载端的下部海床上形成沟槽;土体刚度越大,形成的沟槽最大深度越小;循环位移载荷幅值越大,海床上形成沟槽的最大深度也越大;随着位移载荷的逐渐增大,沟槽最大深度点的位置向远离加载端的方向移动;立管触地点附近的弯矩变化幅度从大到小排列依次为线性硬土、线性软土、非线性黏土。

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。

一种通过增加弯曲段惯性体改善钢悬链线立管运动性能的方法

本文介绍一种通过在靠近海底触地点的弯曲段增加惯性力来改善深水钢悬链线立管运动性能的方法,达到显著降低弯曲段的极限应力和疲劳损伤的目的。在弯曲段增加的惯性体,来自立管顶端浮体的动能经过惯性体的吸收和耗散以后,进一步传递到敏感的立管触地点的能量大为降低,从而改善钢悬链线立管,尤其在弯曲段的运动特性,最终降低触地点附近立管的应力、减少疲劳。本文采用有限元单元CABLE3D对惯性体的设计进行数值模拟。惯性体的引入可以有效地增加浮体运动和立管弯曲段运动的解耦,以低成本的方式使本不适用的简单钢悬链线立管通过在弯曲段增加惯性体来改善其运动性能,从而达到适用标准。

非线性管-土作用下钢悬链线立管触地区疲劳分析

基于P-y曲线建立非线性管-土相互作用模型,分别运用大挠度曲线梁和弹性地基梁单元模拟钢悬链线立管(Steel Catenary Riser,SCR)的悬垂段和流线段,研究周期运动下管-土相互作用响应和SCR触地区的疲劳分析。SCR具有复杂的非线性动态行为,特别是触地点区域,由于海床模型的不确定性,一直是数值模拟的难点。通过Fortran编写子程序嵌入CABLE3D,开发得到包括非线性管-土作用模型的新程序CABLE3D RSI,围绕SCR与海床相互作用响应和立管的整体动力分析等内容展开研究:根据时域内的动力响应,运用S-N曲线法得到触地点区域的疲劳损伤分布情况,研究有关参数对疲劳损伤的影响。结果表明:1)周期载荷作用下,立管在海床上形成的沟槽逐渐发展,相比于线弹性和刚性海床非线性海床分布力更加符合工程实际:2)海床刚度模型、土剪切强度以及吸力因子都对立管触地区的疲劳损伤具有重要影响。

机场跑道轮迹测试及横向分布参数研究

为分析飞机主轮迹横向分布参数的合理取值问题并克服目前测试方法的不足,依据机轮在跑道上制动时会在道面积聚黑色轮迹的现象,研究了通过轮迹测试分析飞机主轮迹横向分布参数的方法。首先根据光的反射及光电转换原理开发了飞机轮迹测试装置;利用该装置对某4D机场跑道进行了轮迹测试,分别在接地带及跑道中部附近进行了轮迹数据采集,得到接地带10条测线及跑道中部4条测线的测试数据;在假定各机型轮迹横向分布标准差相同,且各机型每次降落时主轮在道面上所留下的黑色轮迹宽度、颜色深浅相同的前提下,结合各机型主起落架间距、降落架次得到轮迹横向分布理论叠加曲线,基于最小二乘原理对归一化处理后的轮迹测试曲线与理论叠加曲线进行拟合,最终得到在该机场跑道上飞机主轮横向分布参数。研究结果表明:跑道接地带部位,飞机主轮横向分布标准差为1.214 m,通行宽度为2.791 m;跑道中部区域,飞机主轮标准差为2.210 m,通行宽度为5.082 m。该数值与目前我国在水泥混凝土道面设计中对飞机在跑道部位的取值相差较大,与国外对该参数的研究结果相比也有一定差距。上述研究结论、飞机轮迹测试方法及分析思路对于开展民航飞机主轮迹横向分布规律的系统研究可提供一定参考。