【摘要】：隨著深海油氣資源的逐步開發(fā),海洋立管的應(yīng)用由淺水區(qū)向深水區(qū)、極深水區(qū)發(fā)展。立管結(jié)構(gòu)是連接浮體和海底管道或井口的主要設(shè)備。立管結(jié)構(gòu)可分為多種形式,有鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐?Steel Catenary Riser, SCR)、張緊式立管(Top Tension Riser, TTR)以及柔性立管等。相對于張緊式立管來說,SCR不需要頂張力補(bǔ)償,還可以容納上端浮體較大的漂移運(yùn)動(dòng)或升沉運(yùn)動(dòng)；相對于柔性立管來說,SCR可以承受更為惡劣的環(huán)境載荷,特別是耐高溫耐高壓。因此,SCR成為深海油氣輸運(yùn)的首選立管形式。由于受浮體以及水動(dòng)力載荷的聯(lián)合作用,可靠的估算SCR的疲勞損傷是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。因此,對SCR的疲勞損傷進(jìn)行比較完善的數(shù)值分析具有重要的理論意義以及工程價(jià)值。 本文基于SCR的柔性特征,對深海中Spar平臺上SCR的疲勞損傷進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值分析。本文對SCR的分析工作主要分為以下幾個(gè)方面：模態(tài)分析、渦激振動(dòng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、渦激振動(dòng)疲勞損傷參數(shù)敏感性分析、渦激振動(dòng)抑制措施研究、浪致平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算、立管浪致疲勞損傷分析、渦激平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算、平臺渦激運(yùn)動(dòng)引起立管的疲勞損傷分析。 對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿哪B(tài)分析進(jìn)行了研究。先是對模態(tài)分析進(jìn)行了理論計(jì)算,基于懸鏈線方程,對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿墓逃蓄l率、模態(tài)振型以及模態(tài)曲率進(jìn)行了理論公式推導(dǎo)。為了驗(yàn)證理論分析的可靠性,使用了有限元軟件對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐苓M(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。最后對一典型的海洋立管做了計(jì)算,二者模態(tài)分析的結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的可靠性。 對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿臏u激振動(dòng)響應(yīng)以及疲勞損傷進(jìn)行了詳細(xì)的理論公式推導(dǎo)。在計(jì)算渦激振動(dòng)響應(yīng)時(shí),采用的是模態(tài)疊加法；在計(jì)算疲勞損傷時(shí),是基于高斯窄帶假定的瑞利分布。在詳細(xì)推導(dǎo)出了疲勞損傷計(jì)算公式以后,對一典型海洋立管做了渦激振動(dòng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析,緊接著通過改變來流速度、立管內(nèi)部流體密度、立管外徑以及立管壁厚等因素對立管的渦激振動(dòng)疲勞損傷進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,并且得到了一些工程中可以用到的有用結(jié)論。 對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿臏u激振動(dòng)抑制措施進(jìn)行了研究。首先介紹了幾種常見的抑制海洋立管渦激振動(dòng)的方法；接著對幾種不同螺旋列板分布形式下立管的疲勞損傷進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：加上螺旋列板會(huì)對立管的渦激振動(dòng)響應(yīng)起到非常好的抑制作用。 對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿睦酥缕诜治鲞M(jìn)行了研究。首先,對平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了理論分析,基于邊界元法對平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了理論計(jì)算,得到了平臺的運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)。接著,基于譜分析方法對立管的浪致疲勞損傷進(jìn)行了研究,此分析過程涉及到兩個(gè)線性系統(tǒng)假定,分別為平臺線性系統(tǒng)以及立管線性系統(tǒng)。最后,對深海中的一典型Spar平臺上的SCR進(jìn)行了浪致疲勞損傷分析。分析結(jié)果表明：SCR的浪致疲勞損傷與波浪譜中有義波高緊密相關(guān),隨著有義波高的增加,立管浪致疲勞損傷大小成指數(shù)次方增加。 最后,對Spar平臺的渦激運(yùn)動(dòng)引起的立管的疲勞損傷進(jìn)行了詳細(xì)分析。首先,基于尾流振子法對Spar平臺的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析,得到了Spar平臺渦激運(yùn)動(dòng)的振幅以及周期。其次,基于前面所得到的上端Spar平臺的運(yùn)動(dòng)邊界條件,使用了有限元法對立管的疲勞損傷進(jìn)行了分析。緊接著對多種海況下Spar平臺對SCR的疲勞損傷進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明：Spar平臺的渦激運(yùn)動(dòng)幅度及周期比通常小構(gòu)件的渦激振動(dòng)的幅度和周期大很多。
【圖文】：

(Rayleighdistribution)來描述損傷過程，并且計(jì)算得到立管的浪致疲勞損傷。(3)采用解尾流振子與平臺振子之間的運(yùn)動(dòng)藕合方程，得到Spar平臺的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其中包括SPar平臺在海流作用下的運(yùn)動(dòng)幅值以及運(yùn)動(dòng)周期。本文對不同折合速度下的Spar平臺渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)做了分析，得到不同折合速度下平臺的無量綱運(yùn)動(dòng)振幅比(A/D)以及平臺的運(yùn)動(dòng)周期�；趕Par平臺的運(yùn)動(dòng)幅值這一邊界條件，采用有限元法計(jì)算得到與其相連接的鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐艿膽?yīng)力時(shí)間歷程曲線，最后結(jié)合運(yùn)動(dòng)周期，，根據(jù)萬-萬曲線法計(jì)算得到平臺渦激運(yùn)動(dòng)引起的立管疲勞損傷。1.3海洋平臺以及立管海洋油氣資源的逐步開發(fā)導(dǎo)致海洋平臺和立管系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。海洋平臺從導(dǎo)管架平臺(JacketPlatform)(圖1.2)、自升式平臺(Jack一uPPlatform)(圖1.3)、索塔式平臺(GuyedTowerProduetionPlatform)(圖2.4)、張力腿平臺(TensionLegPlatform，T廿)(圖1.5)、半潛式平臺(Semi一submersiblePlatform)(圖1.6)發(fā)展到單柱式平臺(sp盯Platform)。其中Sp盯平臺可分為三代:第一代Spar平臺一常規(guī)式Spar(ClassicsPar);第二代Spar平臺一析架式sPar(TrussSpar)以及第三代sPar平臺一多柱式sPar(CenSPar)(圖1.7)。

三種類型的Spar平臺Fig.1.7T)mxtypesofSparplatforms
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P756.2

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 秦偉;雙自由度渦激振動(dòng)的渦強(qiáng)尾流振子模型研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

本文編號：2624872