张力腿平台TTR立管壁厚设计研究

摘要

立管系统是连接海底井口与浮式平台之间的导管，主要用途是生产、采油、注水、修井和完井等。深水油气立管系统是油气开发系统中最薄弱的构件之一，也是深水油气开发的“瓶颈”问题。
　　 本文依托于国家863项目“顶张紧式立管(TTR)设计与安装关键技术研究及软件研发”，主要内容为：基于准静态理论，研究基于TLP平台的TTR立管壁厚计算的关键设计因素和校核方法。TTR立管的壁厚主要取决于：环向应力、组合应力分析及静水压溃分析。TTR的准静态分析中所受荷载为表观重力(包括重力和浮力)、横向偏移(由于TTR受顶部平台位移而产生的强迫运动)、集中力(顶部恒定的张紧力以及海流产生的应力)。本文提出一种面向初始设计阶段的立管最小壁厚计算分析简化方法，并对影响立管力学性能的关键因素进行优化设计。
　　 由于顶部张紧力是影响TTR立管的关键因素，因此本文考虑TLP平台Setdown现象对TTR立管净伸长以及顶部张紧力的影响，数值分析表明：①初始顶张力系数越小，SetDown对顶张力系数增量的影响越大；②立管顶部横向偏移越大，SetDown对顶张力系数增量的影响越大；③顶张力系数的增量与立管的表观重力之间无明显关系。在立管壁厚校核计算中，另一关键问题是如何通过简化方法获取较为真实有效的载荷信息，其中最重要的参数是TTR立管底部的弯矩。本文由悬链线方程出发，经过一系列的简化和修正处理，最终计算出TTR立管在顶部横向偏移及海流的联合作用下立管的力学响应，数值分析表明：立管的表观重力增大，会导致底部弯矩相应变大；立管的横向偏移和横向海流载荷增大，同样会导致底部弯矩增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究概况和发展趋势

1.3本文研究内容

2立管力学模型和微分方程

2.1顶部张紧式立管环境载荷

2.1.1 Morison方程

2.1.2波浪理论

2.1.3海流作用

2.1.4顶部平台偏移

2.2顶部张紧式立管微分方程

2.2.1方程的解

2.2.2离散化的考虑

2.3立管有效张力与真实张力

2.4表观重力

2.5海流对于TTR的影响

2.5.1均匀流时TTR形状

2.5.2线性流时TTR形状

2.5.3其它流剖面对形状的影响

2.5.3离散化求解的方式

3 TTR立管静力简化计算

3.1 TTR立管初始设计

3.2等效截面的计算

3.3TTR立管伸长计算

3.3.1 TLP平台SetDown计算

3.3.2TTR立管SetDown计算模型与载荷

3.3.3立管顶部SetDown计算

3.3.4立管伸长量计算

3.3.5顶张力因子ttf的改变

3.3.6立管管体刚度

3.3.7张力器相关刚度

3.3.8立管总体轴向刚度叠加

3.3.9立管顶部张力因子的修正计算

3.4悬链线方程计算TTR端部转角

3.5悬索模型的半经验修正计算法

3.6 TTR流载荷计算

3.7 TTR端部约束条件修正

4 TTR立管壁厚计算校核

4.1应力校核壁厚

4.1.1管的主应力

4.1.2校核的应力准则

4.2压溃校核壁厚

4.3立管扩展压溃校核

5 Abaqus有限元计算验证与简化计算结果分析

5.1 Abaqus软件简介

5.1.1 Abaqus／Standard模块简介

5.1.2 Abaqus／Aqua模块简介

5.2有限元模型和计算验证

5.2.1单元类型的选取

5.2.2边界条件的处理

5.2.3表观重力的设置

5.2.4顶部张力施加

5.2.5海流载荷的加载

5.2.6计算验证

5.3简化计算结果和分析

5.3.1顶部张紧器刚度、海流载荷的影响

5.3.2空管、生产及静水测试状态下，SetDown的影响

5.3.3空管、生产及静水测试状态下，底部弯矩曲线

5.3.4空管、生产及静水测试状态下，底部弯矩修正前后相对误差曲线

5.3.5空管、生产及静水测试状态下，组合应力校核时立管顶部最小壁厚

5.3.6空管、生产及静水测试状态下，组合应力校核时立管底部最小壁厚

5.3.7空管、生产状态下，静水压溃校核时立管底部最小壁厚

5.3.8空管、生产状态下，压溃传播校核时立管底部最小壁厚

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢