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钢悬链线立管整体动力响应分析

发布时间:2018-04-23 13:09

  本文选题:悬链线立管 + 管土作用 ; 参考:《中国海洋大学》2015年博士论文


【摘要】:立管是连接海床和海洋平台的细长柔性构件,主要用于钻井和油气输送等。在各种类型的立管中,悬链线立管因具有安装简便、成本低和适合应用于多种平台类型等优点,而在深海油气开采中得到越来越多的应用。尽管悬链线立管集诸多优点于一身,但其特殊的布置形式所带来的疲劳损伤一直是海洋工程领域的挑战性问题,尤其是海流引起的涡激振动和管土相互作用会对立管破坏产生重大影响。因此对立管在海洋环境荷载下的涡激振动及管土相互作用的研究,不仅具有重要的学术意义,而且具有重要的工程实际应用价值。根据国内外悬链线立管最新的研究进展,目前对管土相互作用及涡激振动的研究主要采用截断模型,而截断模型不能准确的估计立管触地区域的疲劳破坏。本文主要针对悬链线立管管土相互作用及涡激振动进行了整体动力响应分析。论文的主要研究工作如下:总结了管土相互作用和涡激振动相关实验及数值模拟的研究进展,并详细归纳了管土相互作用模型及涡激振动模型。给出了海洋立管受到的部分荷载及相关的计算方法。给出了管土相互作用的静力和动力分析模型,并基于粱-弹簧模型编写了立管初始嵌入海床的静力分析程序,研究了海床表面刚度SuO、剪切刚度梯度Sug及立管壁厚对立管触地区域形状的影响,研究结果表明:立管埋入泥土的区域随着Su0的减小而增大,而随着立管壁厚的增大而增大,受Sug影响较小。基于Abudeny提出的沟槽模型建立了初始沟槽,研究了动力模型中管土分离因子、最大吸力因子和沟槽最大深度的影响,研究结果表明:立管触地区域弯矩的最大值随着管土分离因子、最大吸力因子和沟槽最大深度的增大而增大。进行了立管的涡激振动试验,研究了外流流速和海床类型对涡激振动的影响。试验结果表明:立管顺流向和横向的振动应变幅值均随流速的增大而增加,在高流速下将会有多阶模态参与涡激振动;海床类型将会影响立管的涡激振动响应频率,悬垂段以一阶振动为主,顺流向出现了二阶振动,在低流速下,悬垂段和拖地段的应变均较小且相差不大,而在高流速下,砂土海床和混合海床时立管的应变要高于粘土海床,粘土海床时立管的破坏易发生在悬垂段,砂土海床时易发生在拖地段。给出了分析结构动力特性时所需要的基本方程,研究了立管的固有频率受外流流速、内流流速及模型是否截断的影响。研究结果表明:立管的固有频率随着内流流速的增大而减小,而随着外流流速的增加而增加,基本不受模型是否截断的影响。与顶张力立管不同,悬链线立管在平面内和平面外有两种不同的振型,给出了平面内外各前4阶的振型,结果表明:模态振型节点的幅值并不是常数,越靠近轴向张力大的一端幅值越大,平面外的涡激振动对触地区域影响更大些。通过编写自定义单元的方法采用尾流振子模型进行了立管的涡激振动数值模拟。在研究中引入了已建立的管土相互作用模型,研究了在考虑立管拖地段时立管的涡激振动及涡激振动引起的立管拖地段的动力响应。首先按照试验数据建立模型,将均匀流下立管的数值模拟和试验进行了对比,证明了该模型的可行性,然后计算分析了剪切流下立管顺流向和横向耦合涡激振动响应特性。
[Abstract]:The riser is a slender flexible component connecting the seabed and the offshore platform. It is mainly used in drilling and oil and gas transportation. In various types of risers, the catenary riser has the advantages of easy installation, low cost and suitable for various types of platform types. More and more applications have been obtained in deep sea oil and gas mining. Although Catenary Risers gather Many advantages are in one, but the fatigue damage caused by its special arrangement has been a challenging problem in the field of marine engineering. Especially, the vortex induced vibration and the interaction of pipe and soil caused by the sea current will have a great influence on the destruction of the opposite tube. It is of great academic significance and has important practical application value. According to the latest research progress of the catenary riser at home and abroad, the truncation model is mainly used to study the interaction of pipe and soil and vortex induced vibration, and the truncation model can not accurately estimate the fatigue damage of the riser area. This paper is mainly aimed at the suspension chain. The overall dynamic response of the soil interaction and vortex induced vibration is analyzed. The main research work of this paper is as follows: the research progress of the experimental and numerical simulation of the soil interaction and the vortex induced vibration is summarized, and the soil interaction model and the vortex induced vibration model are summarized in detail. The part of the marine riser is given. The static and dynamic analysis models for the interaction of pipe and soil are given. Based on the beam spring model, the static analysis program of the initial embedded seabed in the riser is written. The influence of the surface stiffness SuO, the shear stiffness gradient Sug and the vertical tube wall thickness against the shape of the region is studied. The area of the pipe embedded in the soil increases with the decrease of Su0, and increases with the increase of the wall thickness of the riser, and is less affected by the Sug. The groove model based on Abudeny has established the initial groove. The influence of the separation factor, the maximum suction factor and the maximum depth of the groove in the dynamic model is studied. The results show that the riser area is in the ground. The maximum bending moment increases with the increase of the pipe soil separation factor, the maximum suction factor and the maximum depth of the groove. The vortex induced vibration test of the riser is carried out. The effect of the flow velocity and the type of the seabed on the vortex induced vibration is studied. At high velocity, there will be multiple modes involved in vortex induced vibration, and the type of seabed will affect the frequency of the vortex induced vibration response of the riser. The suspension section is dominated by first order vibration, and the two order vibration appears in the downstream direction. At low velocity, the strain of the draping section and the towing section is small and the difference is small. At the high velocity, the sand seabed and the mixed seabed are standing. The strain of the tube is higher than the clay seabed. The damage of the riser in the clay seabed occurs easily in the draping section. The sand seabed occurs easily in the towing section. The basic equations for analyzing the dynamic characteristics of the structure are given. The influence of the flow velocity of the riser, the flow velocity of the inner flow and the truncation of the model is studied. The natural frequency of the tube decreases with the increase of the flow velocity, and increases with the increase of the flow velocity. It is not affected by the truncation of the model. Unlike the top tension riser, the catenary riser has two different modes of vibration in the plane and outside the plane, and the first 4 modes of vibration are given in the plane and inside the plane. The results show that the modal node is the modal node. The amplitude is not constant, the larger the amplitude of the axial tension is, the larger the amplitude of the large axial tension is, the vortex excited vibration outside the plane has a greater impact on the ground. The wake vibrator model is used to simulate the vortex induced vibration of the riser by the method of writing custom elements. The dynamic response of the vertical tube in the vertical pipe caused by the vortex induced vibration and the vortex excited vibration is considered. First, the model is established according to the experimental data. The comparison of the numerical simulation and the test of the riser in the uniform flow is made, and the feasibility of the model is proved. Then the flow direction and transverse coupling vortex excitation of the riser under the shear flow are calculated and analyzed. Vibration response characteristics.

【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P756.2

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本文编号:1792105

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