深海顶张力立管参激振动研究

发布时间：2020-07-15 14:44

【摘要】：立管是连接水面浮式装置和海底井口设备的导管,是海洋工程结构重要的组成部分之一,也是薄弱易损的构件之一。由于立管所受环境载荷相当复杂,其振动响应一直是海洋石油工程领域的研究热点。深海平台立管所处的水深达1500米以上,环境载荷状况更为复杂。目前,国内对浅海立管的理论研究已相对成熟,但对深海立管的研究工作还处于起步阶段。 本文总结了参激振动基本理论以及马蒂厄方程和不稳定域的推导过程,讨论了立管只受顶端平台升沉激励引起的纯参激振动,揭示了立管参激共振机理。改变立管和海洋环境参数,研究参数不稳定性区域与设计参数之间的关系,确定控制深海立管参激共振发生的关键参数。考虑波流引起的横向载荷,用有限元法分析了立管在参数激励和横向波流力作用下的振动特性。最后研究了参激振动和涡激振动共同作用下立管的振动特性。 研究表明,当平台升沉频率等于立管固有频率的2倍时发生一阶参激共振,对应的主参激不稳定区是立管参激不稳定区最重要的部分。高阶不稳定区因阻尼的存在而迅速上移,它们对立管参激稳定性影响非常小。设计立管总的宗旨是,通过调节立管参数,使立管频率避开能量集中的周期为4~12s的波浪;参数激励的存在对立管流向振动影响不大,水深是控制立管寿命的重要参数;立管的参激-涡激耦合振动中,参数激励的存在使振动幅值增大。当参激频率等于立管一阶固有频率的二倍时,立管振动响应最大。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P756.2
【图文】：

(a)顶张紧立管 (b) 钢悬链线立管图 1-1 立管结构形式图立管是一种容易使人误解的结构，表面上似乎很简单，但实际上立管内部有的油气通过，外部有复杂的波流等环境荷载作用，顶部还受平台运动作用立管所处海洋环境相当复杂，影响因素较多，立管会发生碰撞、波频振动振动、参激振动，这些都能引起疲劳损伤和断裂失效，不仅给工程本身带来经济损失，而且还会对自然环境造成严重的次生灾害[4]。近几年来，随着海洋事业的发展，从事海洋工程水动力研究的学者也日益增

文 究尚处于起步阶段。力立管示意图，立管下端通过万向节与海底井口设与平台或钻井船底部连接。在实际海况下，浮式系统立管顶端一个位移时程响应，引起立管轴向力随浮荡运动导致立管的轴向应力随时间变化而变化，这振动，也就是立管的参激振动。参激振动可以引起平参数共振。参数共振会导致立管振动幅值过大，产生经济损失甚至人员伤亡。

文主要研究内容海立管的参激振动具有很强的非线性，主要表现在三个方面：一是长径比 L/D 引起的几何非线性；二是由非线性拖曳力引起的水动力是顶端运动边界条件的非线性。对深海立管系统而言，非线性特析误差较大，已经不再适用，而时域分析优势显著。时域分析可计响应，比较容易考虑各种非线性因素，通过计算可以得出立管位力应变的时间历程，在此基础上便于进一步分析立管的疲劳特性海立管的长径比达 104，如此大的比值会导致立管的各阶模态频率此发生参激不稳定的区域将是一组频率轴上紧密连续的区间，如果顶端激励落入了不稳定区域（图 1-3 中阴影区），将导致立管发振发生后结构会发生参激不稳定现象，在波流力扰动下立管振动以及混沌状态。当立管振动强度达到一定程度并持续较长一段将遭到严重破坏。

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