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顶张力立管动力响应数值模拟及其疲劳寿命预测

李效民  
【摘要】: 本文旨在探索顶张力立管在波浪、海流、管内流动流体、涡旋脱落以及浮式平台\驳船运动等复杂内外环境载荷条件作用下的动力特性和动力响应,预测其疲劳寿命,为工程设计提供理论依据。 作为海洋深水油气资源开发基础中的重要设施之一,顶张力立管连接于海洋平台和井口之间,可用于钻井、完井和生产。在深海环境中,海洋立管处于非常复杂的环境中,要承受波浪、海流、上端浮体运动以及地震、冰凌等载荷的作用,其中由风引起的波浪和海流是最重要的载荷。当波浪和海流流经立管时,沿其顺流方向由于流体的粘性及其惯性力将引起立管较大的静位移和动位移,而沿其横向,在一定的流速下在其尾部会产生旋涡脱落,由于旋涡的交替发放,将对其产生交变作用的力,使得立管在横向和顺流向都会发生多阶高模态的涡激振动,同时由于立管顶端浮体的复杂运动以及管内流动流体的作用,立管将会发生更为复杂的耦联振动。这些现象都会加速立管的疲劳破坏,立管一旦破坏将会导致巨大的经济损失并引发严重的海洋污染和次生灾害,因此对立管涡激振动及其波浪流作用下立管的振动响应进行深入研究具有重要的理论和实际意义。 关于立管的涡激振动,当前的计算软件如MIT的SHEAR7和VIVARRAY都是建立在大量实验得到的水动力系数数据库之上,而且大都只能计算立管横向涡激振动响应。本文采用功能原理考虑管内流动流体和管外海洋环境载荷的共同作用建立了顶张力立管横向和顺流向耦合振动偏微分方程,采用尾流振子模型模拟流体对大长细比顶张力立管横向和顺流向的涡激力,在时域内迭代求解流体与结构耦合振动方程,编制了涡激振动数值模拟系统软件NSVIV 1.0(已申请获得软件著作权)。该软件可以计算顶张力立管在内流和任意剖面形式的海流作用下的高阶多模态动力响应及疲劳寿命。软件计算结果与SHEAR7、实验测量结果及他人数值模拟结果进行了对比,表明本文方法对于预测深海立管涡激振动是有效的。 在立管顺流向动力响应分析方面,目前的研究大都考虑了平台的静偏移,而忽略了平台的动态性能,也大都没有考虑内流对立管的影响,并且将非线性拖曳力进行了线性化处理,对各种外界载荷及边界条件共同作用下立管的动力响应及疲劳寿命也缺少综合计算分析。本文综合考虑管内流体流动、海流、随机波浪、浮体运动等各种载荷及边界条件单一或相关载荷共同作用以及非线性拖曳力对立管动力响应的影响,建立了立管非线性运动方程,并用迭代方法求解,计算分析了各种载荷作用下立管的动力响应及其疲劳寿命。 计算分析结果表明:内流对立管固有频率、动力响应幅值及响应模态数、疲劳寿命都有一定的影响,特别是内流流速较高时,在工程设计中应该给予足够重视;虽然顺流向涡激振动幅值只是横向振动幅值的10-30%,但由于顺流向涡激振动频率一般为横向涡激振动频率的两倍,因此顺流向涡激振动对立管的疲劳破坏的影响同样不能忽视;顶张力对横向涡激振动的影响比对顺流向涡激振动更敏感一些,随着顶张力的增加,其振动模态可能会由高阶模态降为低阶模态,而当振动模态没有发生改变时,顺流向和横向振动幅值都随着顶张力的增加而降低;海流、随机波浪和驳船运动激励下的立管主要有两个弯曲应力极值,分别位于立管底端和上端附近处,随着海流流速的增加,立管底端应力显著增加,而上端逐渐减小,立管弯曲应力随着特征波高的增加而增加,随着顶张力的增加而显著降低,随着平均静偏移的增加而增加,慢漂运动幅值主要影响立管底部的弯曲应力而慢漂运动周期主要是影响立管上部的弯曲应力;立管在涡激振动下,底端附近处容易产生疲劳破坏,而在顺流方向,立管在波浪、海流、浮体运动作用下,靠近立管的上下两端都容易产生疲劳破坏。


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