基于水动力性能的深水懒波形立管的浮筒设计方法研究

发布时间：2020-05-23 03:19

【摘要】：深水油藏的开发大量增加,海上资源的开采也逐渐向更深水域发展。钢悬链线立管是连接水下生产系统与海面生产平台的关键部件,所处的海洋环境十分恶劣,立管承受巨大的力与弯矩。然而,通过在立管上加入浮筒装置,便可抵消一部分张力,减小顶端载荷,在一定程度上提高疲劳寿命。本文就是运用理论分析以及数值模拟方法对懒波形立管的浮筒布置参数进行研究、设计。在本文中,详细地介绍了钢质懒波形立管系统以及其中的浮筒装置。基于大变形理论建立了静态下立管的控制方程,并利用有限差分法,进行Matlab编程,得到懒波形立管的变形图,分析了沿立管的受力情况。同时,改变浮筒的间距以及初始位置,研究不同的布置参数对立管力学性能的影响。结果表明,浮筒间距增加会使得悬挂点处的受力增大,但会减小立管的弯矩极值,浮筒初始位置距悬挂点的距离增大同样会增加立管轴力极值,减小弯矩极值。接下来,基于Orcaflex建立懒波形立管模型,对以上理论分析结果进行验证。同时分析了不同情况外流,包括均匀流、剪切流以及幂律流下,立管的形态以及受力情况。改变浮筒的布置,对比分析立管的力学性能的变化。最后,考虑到段塞流在具有下倾管的立管中时常发生,且会给立管带来一定的危害。本次研究利用模拟软件Olga进行段塞流研究。对比分析了简单的下倾管-立管组合以及懒波形这样具有两段下倾管的复杂形态下,立管内压力变化的区别。研究了由于不同的浮筒布置而导致不同立管形态下的立管压力波动周期的变化情况。从而进一步证实了前几章中所选择布置参数的可行性。综合考虑,最终确定浮筒的间距为6-8m,初始的浮筒位置为距离立管悬挂点1650-1700m范围内。这次研究不仅是对完善深水油藏开发系统的一次有益尝试,更是对我学习知识、应用知识能力的一次锻炼与提高。
【图文】：

示意图,立管,模型,示意图

性大变形梁理论，建立钢质懒波形立管的模型，在解法上使用了有此基础上研究了立管废弃[19]以及安装[20]过程中的模型变化以及力学Li[21]等将懒波形立管视为 3 段悬链线模型从而得到立管的静态形态考虑立管的弯曲刚度，因此不能准确的反映懒波形立管的力学性能2]和 Bahtui[23]考虑了刚度的影响。Yuan 等人[24]提出了一个精确的懒波模型，在模型建立的过程中没有考虑浮筒的作用，且将立管分为四线段、边界层处、着地点处以及反弹部分，如下图 1.1 所示，得出知参数的立管解析模型，并研究了不同海床特性对立管受力的影响情 Kimiaei 等人[25]同样将懒波形立管视为四段模型，并建立了无量纲化，在研究动态响应的过程中运用了动力放大系数法，同时在边界连inkler 型土壤模型。对于边界值问题的解法，Santillan[16]以及 Plaut[26靶法。Plaut 侧重研究输流管道的后屈曲及振动问题，而 Santillan 等及了带有浮筒的悬链线立管。

示意图,柔性管,示意图,段塞流

间的变化情况。宋博，李桐宇等人[74]利用 Olga 模拟带有倾角的水平管的严重段塞流，研究不同流量对流态流型，立管压力以及持液率的影响有学者利用 CFD 对段塞流进行模拟。王琳，刘旭等人[75]利用 Fluent，，动模型，基于液体体积函数法来追踪多相界面，进而观察严重段塞流特也同样利用 CFD 进行研究，并提出了一种将三维立管系统转化为二维。Makhatab[77]通过理论分析，得到一维的预测模型，分析沿管道的压立管出口处的多相流量。比较而言，对于带有浮筒的立管，其内部的严重段塞流的影响研究较 Guo 等人[78]利用外径为 50mm，水平长度 114m，16m 的下倾管以及柔性管进行实验，立管如下图 1.2 所示，实验研究立管内流动参数，以间的转换。实验表明，随着下倾角度的增加，从层流到间歇流的转换需气体折算速度。
【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】：TE952

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