深海悬链线立管涡激疲劳损伤预报研究

摘要

随着深海油气资源的逐步开发，海洋立管的应用由浅水区向深水区、极深水区发展。立管结构是连接平台和海底管道或井口的主要设备，受风浪流等环境载荷的作用，这些交变载荷对立管的疲劳寿命影响很大，所以疲劳是深海立管设计最主要考虑的问题。本文对钢质悬链线立管SCR(Steel Catenary Riser)载荷和疲劳寿命预测的方法进行了研究，着重研究了涡激振动对立管疲劳寿命的影响。
　　 首先对深海立管结构进行了介绍，重点介绍了悬链线立管和国内外在深海立管疲劳损伤方面的研究现状和进展。接下来对深海立管的波浪载荷进行了简要的阐述，然后重点介绍了流致立管振动的相关理论和计算方法，最后对利用模态方法分析立管涡激振动引起的疲劳损伤的理论进行了详细的阐述。
　　 将悬链线立管简化为忽略剪切力的索模型，对悬链线立管进行了模态分析，分析中考虑了流体附加质量的影响，得到其在海水中的频率和振型。根据斯托哈尔关系和外部流速大小的确定潜在的激励模态范围，并通过计算潜在模态的能量确定主要激励模态。根据能量平衡，求出升力系数和阻尼系数，从而可以计算出立管每阶模态下的模态力和模态阻尼。再利用模态叠加法对悬链线立管进行动力响应分析。然后根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则并结合S-N曲线，分析了在不同流速下立管的涡激疲劳损伤。以2300mSpar平台的悬链线输油立管为例，计算了其在北海某流速作用下的疲劳损伤，得到了一些有意义的结论。
　　 最后讨论了某些参数对深海海洋平台SCR的涡激疲劳损伤的影响。悬链线立管采用索结构模型，进行动力学分析并利用模态叠加法对其进行动力响应分析。以工程中实际使用的1500m Spar海洋平台悬链线立管为例，分别就立管外不同来流速度、立管壁厚、内部流体密度和柔性接头刚度对立管疲劳损伤的影响进行了分析，得到了一些有意义的研究结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1 海洋石油开发立管介绍

1.2 国内外研究概况及发展趋势

1.3 本文的主要工作

2 海洋工程结构环境载荷

2.1 波浪载荷

2.1.1 短时标经典波浪理论的流体动力基本方程及其边界条件

2.1.2 长时标波浪谱简介

2.1.3 黏性波浪载荷和阻尼

2.2 圆柱形结构在流作用下的受力分析

3 流致振动

3.1 流致振动介绍

3.2 量纲分析

3.3 涡激振动介绍

3.4 涡激振动分析

4 基于模态的涡激振动分析模型

4.1 模态分析理论介绍

4.1.1 直接解法

4.1.2 模态叠加法

4.2 涡激振动分析模型

4.2.1 潜在激励频率的确定

4.2.2 主要激励模态的识别

4.2.3 能量输入区域的划分

4.2.4 能量的平衡

4.2.5 升力模型

4.2.6 阻尼模型

4.2.7 结构响应分析

4.3 小结

5 疲劳分析理论简介

5.1 疲劳因为

5.2 疲劳分析方法介绍

5.2.1 DET NORSKE VERITAS(DNV)方法

5.2.2 美国石油协会(American Petroleum Institute)方法

5.2.3 挪威海洋技术研究所方法

5.3 线性累积损伤法则

5.4.基于概率的疲劳计算方法

6 深海钢质悬链线输油立管涡激振动疲劳损伤分析

6.1 悬链线立管基本参数

6.2 悬链线立管的模态分析

6.3 悬链线立管的涡激振动响应及疲劳损伤分析

6.3.1 涡激振动响应分析

6.3.2 涡激振动疲劳损伤分析

6.4 小结

7 深海钢质悬链线立管的涡激振动疲劳损伤参数分析

7.1 OrcaFlex软件介绍

7.2 Shear7软件介绍

7.3 立管涡激疲劳损伤分析

7.4 立管疲劳损伤参数影响分析

7.4.1 立管壁厚对涡激疲劳损伤的影响

7.4.2 内部流体密度对立管涡激疲劳损伤的影响

7.4.3 立管与Spar平台相连的柔性接头对涡激疲劳损伤的影响

7.5 小结

8 减小涡激振动的方法

8.1 增加约化阻尼

8.2 避免共振

8.3 使剖面成为流线型

8.4 增添涡抑制装置

9 总结与展望

9.1 本文总结

9.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢