钢悬链式立管疲劳损伤分析

【摘要】：随着深海油气资源的逐步开发,海洋立管的应用由浅水区向深水区、极深水区发展。立管结构是连接浮体和海底管道或井口的主要设备。立管结构可分为多种形式,有钢悬链式立管(Steel Catenary Riser, SCR)、张紧式立管(Top Tension Riser, TTR)以及柔性立管等。相对于张紧式立管来说,SCR不需要顶张力补偿,还可以容纳上端浮体较大的漂移运动或升沉运动；相对于柔性立管来说,SCR可以承受更为恶劣的环境载荷,特别是耐高温耐高压。因此,SCR成为深海油气输运的首选立管形式。由于受浮体以及水动力载荷的联合作用,可靠的估算SCR的疲劳损伤是一个比较复杂的问题。因此,对SCR的疲劳损伤进行比较完善的数值分析具有重要的理论意义以及工程价值。 本文基于SCR的柔性特征,对深海中Spar平台上SCR的疲劳损伤进行了系统的数值分析。本文对SCR的分析工作主要分为以下几个方面：模态分析、涡激振动结构响应分析、涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析、涡激振动抑制措施研究、浪致平台运动响应计算、立管浪致疲劳损伤分析、涡激平台运动响应计算、平台涡激运动引起立管的疲劳损伤分析。 对钢悬链式立管的模态分析进行了研究。先是对模态分析进行了理论计算,基于悬链线方程,对钢悬链式立管的固有频率、模态振型以及模态曲率进行了理论公式推导。为了验证理论分析的可靠性,使用了有限元软件对钢悬链式立管进行了数值计算。最后对一典型的海洋立管做了计算,二者模态分析的结果吻合良好,验证了理论计算方法的可靠性。 对钢悬链式立管的涡激振动响应以及疲劳损伤进行了详细的理论公式推导。在计算涡激振动响应时,采用的是模态叠加法；在计算疲劳损伤时,是基于高斯窄带假定的瑞利分布。在详细推导出了疲劳损伤计算公式以后,对一典型海洋立管做了涡激振动结构响应分析,紧接着通过改变来流速度、立管内部流体密度、立管外径以及立管壁厚等因素对立管的涡激振动疲劳损伤进行了参数敏感性分析,并且得到了一些工程中可以用到的有用结论。 对钢悬链式立管的涡激振动抑制措施进行了研究。首先介绍了几种常见的抑制海洋立管涡激振动的方法；接着对几种不同螺旋列板分布形式下立管的疲劳损伤进行了分析。结果表明：加上螺旋列板会对立管的涡激振动响应起到非常好的抑制作用。 对钢悬链式立管的浪致疲劳分析进行了研究。首先,对平台运动响应进行了理论分析,基于边界元法对平台的运动响应进行了理论计算,得到了平台的运动频率响应函数。接着,基于谱分析方法对立管的浪致疲劳损伤进行了研究,此分析过程涉及到两个线性系统假定,分别为平台线性系统以及立管线性系统。最后,对深海中的一典型Spar平台上的SCR进行了浪致疲劳损伤分析。分析结果表明：SCR的浪致疲劳损伤与波浪谱中有义波高紧密相关,随着有义波高的增加,立管浪致疲劳损伤大小成指数次方增加。 最后,对Spar平台的涡激运动引起的立管的疲劳损伤进行了详细分析。首先,基于尾流振子法对Spar平台的涡激运动响应进行了分析,得到了Spar平台涡激运动的振幅以及周期。其次,基于前面所得到的上端Spar平台的运动边界条件,使用了有限元法对立管的疲劳损伤进行了分析。紧接着对多种海况下Spar平台对SCR的疲劳损伤进行了分析。计算结果表明：Spar平台的涡激运动幅度及周期比通常小构件的涡激振动的幅度和周期大很多。