触地区域钢悬链线立管的疲劳性能分析

摘要

在海上油气生产中，钢悬链线立管使用广泛。研究表明，触地点，即立管跟海底接触的第一个点，应力最大，疲劳损伤最严重。钢悬链线立管在触地区域，钢悬链线立管与海床相互作用复杂，对立管的疲劳性能有显著影响，这无疑增加了提出适用于工程设计的精简方法的难度。在目前的工程设计中，海底触地区域立管的疲劳分析仍然是极具挑战性的。现存的设计规范中一般建议使用非线性弹簧来模拟海床与立管的相互作用，从地质学的角度来说，这种简化是不精确的，因为在土壤的吸力以及在循环载荷下，土壤刚度的逐渐降低对系统响应性能有着重大影响。
　　本文针对刚塑性海床，塑性海床以及海床沟槽提出解析边界层方法，将其与悬链线方程结合来评估这些建模方法在生成触地区域立管的应力分布时的连续性。本文对提出的边界层方法进行了验证，并将计算结果与有限元分析得出的结果进行了对比分析。
　　此外，本文还对钢悬链线立管进行有限元建模，分析土壤对触地点的压力和疲劳的影响。用精密的数值模拟深入分析触地区域疲劳产生的机理，得到在复杂载荷作用下海床的非线性滞回特性及立管的应力变化。分析中新发现的未知应力变化趋势对提出精简的工程设计方法有显著的促进作用。
　　本文还研究了触地区域槽深对立管应力分布的影响，进而得到对疲劳性能的影响，并进一步研究了立管下方沟槽的渐变形成对立管疲劳性能的影响。研究结果表明，触地区域槽深的形状的微小变化就能扰乱疲劳损伤沿立管的分布，因此，本文的理论无法预测槽变形对钢悬链线立管疲劳性能的影响，仍需进一步的研究。

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CHAPTER 1. INTRODUCTION

1.1 Risers

1.2 Steel Catenary Risers \(SCR\)

1.3 Problem Statement

1.4 Research Objective and Innovation

1.5 Outline of the Dissertation

CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW

2.1 Steel Catenary Riser

2.2 SCR Modeling and Analysis

2.3 SCR/Soil Interaction

2.4 Fatigue Performance of SCR

2.5 Summary and Conclusion

CHAPTER 3. ANALYTICAL MODELS FOR SEABED INTERACTION

3.1 Introduction

3.2 Classical Catenary Equation Adapted for SCR

3.3 Touch Down Zoon Modeling

3.4 Boundary Layer Method for Seabed Interaction Modelling

3.5 Summary and Conclusions

CHAPTER 4. NUMERICAL SCR MODELLING

4.1 Introduction

4.2 Global Configuration of the Model

4.3 The Analysis Main Flowcharts

4.4 Wave Scatter Diagram for Fatigue Analysis

4.5 Overal Dimensions for Fatigue Study

4.6 Summary and Conclusions

CHAPTER 5. HYSTERETIC NON-LINEAER SEABED INTERACTION

5.1 Introduction

5.2 Non-linear hysteretic soil model

5.3 Summary and Conclusions

CHAPTER 6. THE MECHANISM OF FATIGUE GENERATION IN TDZ

6.1 Introduction

6.2 Influence of Sea State Characteristics

6.3 Influence of Seabed Stiffness

6.4 Influence of Trench Depth

6.5 Rough Estimation of Fatigue Damage on Non-linear Seabed without Fatigue Analysis

6.6 Summary and Conclusions

CHAPTER 7. SEABED TRENCH FORMATION AND ITS IMPACT ON FATIGUE LIFE OF STEEL CATENARY RISERS IN TOUCHDOWN AREA

7.1 Impact of Seabed Trench on Fatigue Damage

7.2 Ultimate Trench Generation by Hysteretic Nonlinear Seabed Model

7.3 Summary and Conclusions

CHAPTER 8. CONCLUSIONS

8.1 Analytical Models for SCR/Seabed Interaction

8.2 Effect of Fatigue on SCR in Non-Linear Seabed

8.3 Seabed Trench Formation and Its Impact on Fatigue Life

8.4 Recommendation for Feature works

参考文献

PUBLICATIONS

致谢