钢悬链线立管清管过程力学模拟分析

发布时间：2020-03-27 02:20

【摘要】：钢悬链线立管(steel catenary riser,SCR)出现于20世纪80年代,由于钢悬链线立管成本低,能适应高温高压的海洋环境,使它成为海洋管道工程的重点研究对象。清管器(pig)是管道维护,提高油气传输效率的重要工具,不同作业环境需要具体的清管理论作指导。研究深水钢悬链线立管清管过程的动态特性对于指导深海清管作业具有重要的意义。本文基于有限元软件,考虑悬链线的几何非线性和管土接触非线性,对简单钢悬链线立管进行建模,并与悬链线理论所得的计算结果对比,结果较为吻合。基于有限元模型,分析了立管在波浪海流载荷和浮式平台运动作用下的动力响应,模拟结果与已经研究的结果相比,应力大小和整体变化趋势均合理,在重力和浮力作用下,两端铰接的SCR会呈现简单悬链线的形状,在海浪海流,浮式平台运动的影响下,立管各点都会呈现不同程度的动力响应,其运动会随着立管的位置呈现一定规律的变化。在立管清管过程的模拟中发现,若无海洋环境的影响,清管器对于立管的影响会呈现出局部突出的现象,在清管器作业位置出现应力集中,但是若考虑海洋环境的影响,清管器对SCR的影响则并不突出,海浪海流与浮式平台运动仍是主要的影响。基于混合实验截断设计和变态相似两种理论,对SCR进行了物理模型设计,为大型管道进行小尺寸实验提供参考。
【图文】：

图 1.1 不同水深对应的开采平台Fig. 1.1 Different types of mining platforms目前世界上常用的油气平台主要有浅海的固定式平台，，广泛用于深海的张力腿平台（tension leg platform，TLP），半潜式浮式平台，单柱式平台等。浮式平台在海流与海流等外在因素作用下会出现不同程度的漂移，运动幅度与它们锚定的方式有关，研究表明，FPSO 的运动幅度远大于 TLP 和 SPAR 平台。连接浮式平台和海底井口的系统称为立管，是传输石油天然气的基础。世界上第一个钻井立管出现于 1961 年，主要用于：钻井、完井、生产/注入和输出。生产立管晚于钻井立管，主要作用是配合浮式平台运输油气资源，其结构雏形是顶端张力式钻井立管，主要存在形式有四种，如图 1.2 所示，从左到右依次为钢悬链线立管（SCR）、顶端张力式立管（TTR，Top Tension Riser）、柔性立管（Flexible Risers）和混合式立管（Hybrid Risers）。钢悬链线立管主要分为悬垂部分和触底部分，细分的话，悬垂部分可分为顶部与悬挂段，触底段是指立管尾部与海床相互接触的管道。在海洋环境的影响下，钢悬链线立管会不断产生运动，并且立管顶部与平台连接，

图 1.2 四种立管类型Fig. 1.2 Four types of risers清管器是清除管道积蜡，水合物等污垢，提高管道传输效率的重要手段。证管道长久的使用寿命，防止管道泄露爆炸等事故，需定期对管道进行清理，清管前均需结合具体工况，基于对应的清管理论对管道进行分析计算，指场的清管作业。有关陆地管道的清管理论已经较为成熟，但有对于深水管道管研究还处于初步阶段。作为深水开采的首选立管，SCR 具有高度的几何非，触底段具有接触非线性，复杂的海洋环境更使得 SCR 清管作业异常困难， 1.3 所示，迫切需要相关清管理论指导。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973.92

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本文编号：2602311