深海顶张力立管涡激振动分析及状态评估

摘要

能源是国民经济持续、快速、健康发展的关键。石油是现阶段能源问题的核心，而深海原油则是未来石油产业的发展方向。作为深海油气开发系统的重要生命线工程的海洋立管是连接水上浮式平台及水下钻井系统的唯一关键结构，是保证安全生产的重要环节。然而，由于深海环境的复杂性及激励荷载的随机性等多方面因素的影响，深海立管极易受到破坏。涡激振动是影响立管安全服役的重要因素，是导致立管发生强度破坏及疲劳破坏的主要原因，因此对立管涡激振动进行实时预报及状态估计至关重要。本文针对以上问题做了以下几方面的工作:
　　1.对涡激振动的形成机理、影响参数、分析方法及研究进展做了简要归纳;同时，通过对真实的涡激振动实验数据进行分析，得到大长细比立管结构的响应特性的定性、定量描述，为涡激升力模型的建立以及立管涡激振动方程的建立提供必要的理论依据。
　　2.考虑立管顺流向及横流向的运动耦合作用、流固耦合作用、管内流体作用，并结合我国南海和墨西哥湾真实的流速分布，使用Matlab建立项张力立管的有限元模型。对项张力立管的涡激振动响应进行时程动力求解及“缩尺”模态求解，并对响应特性进行提取和分析。
　　3.通过有限元模型及时域分析得到的立管响应数据，提取立管各节点时程应变响应信息，运用疲劳累计损伤理论中的Miner准则，结合立管材料的S-N曲线及雨流计数统计，估算立管涡激振动作用下各关键节点的疲劳损伤，并分别讨论弹性模量、顶张力及内流等因素对立管疲劳寿命的影响。
　　4.初步探讨了根据有限测点数据对立管进行状态评估的方法。首先，利用H2范数构建传感器灵敏度矩阵，判断各潜在测点对结构主要激发模态的识别水平，充分考虑工程可行性及经济性，初选出最优的传感器测点组合。然后，考虑外荷载激励的不确定性及量测噪声等因素的影响，利用卡尔曼滤波方法对立管进行状态估计，即利用有限测点数据还原结构整体动力响应特性，并对估计精度进行讨论。