深海悬链线立管触地区域疲劳及可靠性研究

摘要

立管是连接海床和海洋平台的细长柔性构件，主要用于钻井和油气输送等。在各种类型的立管中，悬链线立管因具有安装简便、成本低、适合应用于多种平台类型等优点而在深海油气开采中得到越来越多的应用。尽管悬链线立管集诸多优点于一身，但其特殊的布置形式所带来的疲劳损伤一直是海洋工程领域的挑战性问题。如果能够充分考虑悬链线立管承受的环境载荷，并合理的模拟立管与海床的相互作用，那么可以大大提高触地点疲劳损伤的预报精度，从而避免偏大的安全因子给立管制造带来的额外费用。
　　本文作为国家自然科学基金项目“基于海流随机性的深海立管涡激振动疲劳寿命概率预测方法研究”、国家重大科技专项“深水海底管道和立管工程技术”和海洋工程国家重点实验室自主研究课题“深海立管多模态涡激振动疲劳损伤特性研究”的重要组成部分，旨在深入研究深海悬链线立管触地点附近的疲劳损伤特性，并建立合理的疲劳损伤评估体系。
　　本文根据国际上悬链线立管触地点疲劳损伤的最新研究动向，对悬链线与海床的相互作用、涡激振动的频域和时域预报技术、触地点的疲劳损伤特性及可靠性等开展了深入的研究，取得了积极的成果。论文的主要研究工作如下:
　　(1)总结了已公布的管土作用实验和涡激振动实验，并详细归纳了平台系统耦合响应预报技术、管土作用模型、涡激振动模型以及立管疲劳分析方法的研究，阐述了有待补充和完善的内容。
　　(2)根据频域转时域理论，利用频域水动力系数开发了浮体时域单元。采用考虑几何非线性的三节点杆单元和梁单元模拟系泊索和立管，并通过推导的多点约束连接浮体单元与杆单元和梁单元，将浮体系统通过有限元组装到统一矩阵下，从而构建浮体系统全耦合预报模型。
　　(3)基于梁-弹簧模型编制立管初始嵌入海床的静力分析程序，研究了立管最大嵌入深度、海床刚度和立管重量对触地区域立管形状的影响。讨论了已有的海床沟槽模型，指出其中的不足，并根据墨西哥湾现场监测的沟槽形状提出了全新的海床沟槽模型。根据大尺度模型实验得到的垂向管土作用力的特性，提出了线性滞后的管土作用模型;海床的侧向作用通过与海床嵌入深度有关的弹簧模拟。结合沟槽模型、管土垂向和侧向作用模型，开发了与深海悬链线立管匹配的触地单元，并通过定性分析证明了触地单元能够有效的捕捉管土作用吸力的产生和释放过程。
　　(4)对刚性圆柱体受迫振荡和自激振荡得到涡激振动锁定区间的一致性进行了分析，提出了顺流涡激振动不同激发模态能量输入叠加区域的处理原则，在此基础上，利用受迫振荡实验数据建立了深海立管横流和顺流涡激振动频域预报模型，并通过一系列大尺度立管涡激振动模型实验进行了验证分析。利用开发的频域程序研究了触地区域存在对涡激振动诱发的触地点响应的影响进行了分析，阐明了传统截断模型得到触地点响应的不合理之处。
　　(5)针对涡激振动频域模型固有的缺陷，本文提出了适合涡激振动时域分析的立管单元锁定判断准则，并建了横流和顺流耦合涡激振动时域预报模型，然后通过顶端张紧式立管和悬链线立管的涡激振动模型实验进行了验证。分析了悬链线立管模态振型所在的平面，并验证了涡激振动频域和时域预报方法将二维有限元模型得到的模态代替三维有限元模型模态的合理性。将管土作用模型与涡激振动时域模型结合，研究了海床参数对触地区域响应模态以及悬链线立管整体响应位移的影响。
　　(6)采用雨流计数法编制了疲劳损伤计算程序，并通过比较涡激振动诱发的立管实验模型疲劳损伤的数值结果和文献结果进行了验证。对于涡激振动的频域预报模型，对比分析了三种多模态诱发的疲劳损伤计算方法，并为横流和顺流涡激振动分别推荐了合适的方案。采用全耦合程序和涡激振动时域方法对深海悬链线立管进行了相应分析，讨论了触地区域的疲劳损伤对波浪参数和海床参数敏感性。比较了时域和频域方法得到的涡激振动诱发的触地区域疲劳损伤，进一步分析了前面推荐方案的合理性。
　　(7)分析了立管疲劳可靠性及疲劳安全因子的计算方法，并编制了响应面法、蒙特卡洛法和Rosenblueth法程序。结合全耦合模型和频域涡激振动预报模型，研究了涡激振动诱发的触地点疲劳损伤概率分布特征、疲劳失效概率对不确定性因素的敏感性，讨论了全耦合响应和涡激振动诱发的年疲劳失效概率与疲劳安全因子的关系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 平台系统耦合响应预报方法研究现状

1．3 悬链线立管与海床作用模型的研究现状

1．3．1 管土作用的机理研究

1．3．2 管土作用模型及应用

1．4 深海立管涡激振动研究现状

1．4．1 涡激振动的实验研究

1．4．2 频域预报方法

1．4．3 时域预报方法

1．5 深海立管疲劳及可靠性研究现状

1．6 本文的主要研究内容和各章关系

第二章 深海浮体／系泊索／SCR立管系统耦合分析模型

2．1 引言

2．2 三维频域势流理论概述

2．3 浮体运动数值模型

2．3．1 浮体在波浪上的运动方程

2．3．2 浮体时域单元

2．3．3 浮体与系泊索和立管的连接

2．4 深海柔性构件模型

2．4．1 柔性构件控制方程

2．4．2 柔性构件环境载荷

2．4．3 柔性构件有限元离散模型

2．5 耦合系统数值计算方法

2．5．1 静力分析

2．5．2 动力分析

2．6 数值算例

2．6．1 浮体耦合系统模型参数

2．6．2 浮体时域单元的验证分析

2．6．3 耦合系统时域计算结果

2．7 本章小结

第三章 考虑吸力／侧向作用力／沟槽形状的SCR与海床作用模型

3．1 引言

3．2 深海悬链线立管与海床作用的相关概念

3．2．1 触地区域和触地点

3．2．2 海床刚度

3．2．3 海床沟槽

3．2．4 海床吸力

3．3 管土作用静力分析

3．3．1 梁-弹簧模型

3．3．2 数值算例

3．4 动力响应下的管土作用模型

3．4．1 海床沟槽模型

3．4．2 垂向线性滞后模型和侧向模型

3．4．3 触地区域的确定

3．4．4 管土作用模型的定性分析

3．4．5 触地区域响应动响应分析

3．5 本章小结

第四章 基于受迫振荡实验的涡激振动频域预报方法

4．1 引言

4．2 涡激振动研究的基本参数

4．3 深海立管频域预报模型

4．3．1 流体力载荷

4．3．2 管土作用简化模型

4．3．3 频域预报模型的公式化

4．3．4 锁定区间的判定

4．3．5 锁定叠加区域的处理

4．4 预报模型的验证分析

4．4．1 模型实验对比分析

4．4．2 实尺度SCR监测结果对比

4．4．3 SCR截断和完整模型对比分析

4．5 本章小结

第五章 基于受迫振荡实验的涡激振动时域预报方法

5．1 引言

5．2 横流和顺流耦合涡激振动时域预报模型

5．3 预报模型验证分析

5．3．1 TTR实验模型对比分析

5．3．2 SCR实验模型对比分析

5．4 深海悬链线立管涡激振动时域模型与频域模型对比分析

5．4．1 悬链线立管面内和面外模态分析

5．4．2 触地区域的激发模态频率比较分析

5．4．3 涡激振动响应位移比较分析

5．5 本章小结

第六章 全耦合响应和涡激振动诱发的SCR触地区域疲劳分析

6．1 引言

6．2 基于S-N曲线的疲劳评估方法介绍

6．3 疲劳预报程序的校验

6．3．1 时域疲劳计算程序校验分析

6．2．2 频域疲劳计算程序校验分析

6．4 全耦合响应诱发的SCR触地区域疲劳计算

6．4．1 基于传统海床模型的触地点疲劳损伤计算

6．4．2 触地区域疲劳损伤对海床参数的敏感性研究

6．5 涡激振动诱发的SCR触地区域疲劳计算

6．5．1 基于时域方法的触地区域疲劳损伤分析

6．5．2 频域和时域预报方法预报的触地区域疲劳损伤比较

6．6 本章小结

第七章 考虑管土模型及波流载荷不确定性的SCR触地区域疲劳可靠性分析

7．1 引言

7．2 可靠性方法介绍

7．2．1 结构失效概率和可靠度指标

7．2．2 可靠性计算方法

7．3 SCR触地区域疲劳可靠性分析方法

7．3．1 触地区域疲劳可靠性预报中的不确定性因素

7．3．2 触地区域疲可靠性计算

7．4 全耦合响应诱发的疲劳可靠性计算

7．5 涡激振动诱发的疲劳可靠性计算

7．5．1 触地区域疲劳损伤的概率分布特征

7．5．2 触地区域疲劳损伤及可靠性对各随机变量的敏感性分析

7．5．3 触地区域可靠性对变异系数的敏感性

7．5．4 应力修正因子变异系数的选取

7．5．5 触地区域疲劳安全因子与失效概率的关系

7．6 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 论文主要创新点

8．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研项目