深海懸鏈線立管觸地區(qū)域疲勞及可靠性研究.pdf

1、立管是連接海床和海洋平臺的細(xì)長柔性構(gòu)件，主要用于鉆井和油氣輸送等。在各種類型的立管中，懸鏈線立管因具有安裝簡便、成本低、適合應(yīng)用于多種平臺類型等優(yōu)點而在深海油氣開采中得到越來越多的應(yīng)用。盡管懸鏈線立管集諸多優(yōu)點于一身，但其特殊的布置形式所帶來的疲勞損傷一直是海洋工程領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問題。如果能夠充分考慮懸鏈線立管承受的環(huán)境載荷，并合理的模擬立管與海床的相互作用，那么可以大大提高觸地點疲勞損傷的預(yù)報精度，從而避免偏大的安全因子給立管制造帶來的

2、額外費用。
　　本文作為國家自然科學(xué)基金項目“基于海流隨機(jī)性的深海立管渦激振動疲勞壽命概率預(yù)測方法研究”、國家重大科技專項“深水海底管道和立管工程技術(shù)”和海洋工程國家重點實驗室自主研究課題“深海立管多模態(tài)渦激振動疲勞損傷特性研究”的重要組成部分，旨在深入研究深海懸鏈線立管觸地點附近的疲勞損傷特性，并建立合理的疲勞損傷評估體系。
　　本文根據(jù)國際上懸鏈線立管觸地點疲勞損傷的最新研究動向，對懸鏈線與海床的相互作用、渦激振動的頻域

3、和時域預(yù)報技術(shù)、觸地點的疲勞損傷特性及可靠性等開展了深入的研究，取得了積極的成果。論文的主要研究工作如下:
　　(1)總結(jié)了已公布的管土作用實驗和渦激振動實驗，并詳細(xì)歸納了平臺系統(tǒng)耦合響應(yīng)預(yù)報技術(shù)、管土作用模型、渦激振動模型以及立管疲勞分析方法的研究，闡述了有待補充和完善的內(nèi)容。
　　(2)根據(jù)頻域轉(zhuǎn)時域理論，利用頻域水動力系數(shù)開發(fā)了浮體時域單元。采用考慮幾何非線性的三節(jié)點桿單元和梁單元模擬系泊索和立管，并通過推導(dǎo)的多點約束

4、連接浮體單元與桿單元和梁單元，將浮體系統(tǒng)通過有限元組裝到統(tǒng)一矩陣下，從而構(gòu)建浮體系統(tǒng)全耦合預(yù)報模型。
　　(3)基于梁-彈簧模型編制立管初始嵌入海床的靜力分析程序，研究了立管最大嵌入深度、海床剛度和立管重量對觸地區(qū)域立管形狀的影響。討論了已有的海床溝槽模型，指出其中的不足，并根據(jù)墨西哥灣現(xiàn)場監(jiān)測的溝槽形狀提出了全新的海床溝槽模型。根據(jù)大尺度模型實驗得到的垂向管土作用力的特性，提出了線性滯后的管土作用模型;海床的側(cè)向作用通過與海床嵌

5、入深度有關(guān)的彈簧模擬。結(jié)合溝槽模型、管土垂向和側(cè)向作用模型，開發(fā)了與深海懸鏈線立管匹配的觸地單元，并通過定性分析證明了觸地單元能夠有效的捕捉管土作用吸力的產(chǎn)生和釋放過程。
　　(4)對剛性圓柱體受迫振蕩和自激振蕩得到渦激振動鎖定區(qū)間的一致性進(jìn)行了分析，提出了順流渦激振動不同激發(fā)模態(tài)能量輸入疊加區(qū)域的處理原則，在此基礎(chǔ)上，利用受迫振蕩實驗數(shù)據(jù)建立了深海立管橫流和順流渦激振動頻域預(yù)報模型，并通過一系列大尺度立管渦激振動模型實驗進(jìn)行了驗

6、證分析。利用開發(fā)的頻域程序研究了觸地區(qū)域存在對渦激振動誘發(fā)的觸地點響應(yīng)的影響進(jìn)行了分析，闡明了傳統(tǒng)截斷模型得到觸地點響應(yīng)的不合理之處。
　　(5)針對渦激振動頻域模型固有的缺陷，本文提出了適合渦激振動時域分析的立管單元鎖定判斷準(zhǔn)則，并建了橫流和順流耦合渦激振動時域預(yù)報模型，然后通過頂端張緊式立管和懸鏈線立管的渦激振動模型實驗進(jìn)行了驗證。分析了懸鏈線立管模態(tài)振型所在的平面，并驗證了渦激振動頻域和時域預(yù)報方法將二維有限元模型得到的模態(tài)

7、代替三維有限元模型模態(tài)的合理性。將管土作用模型與渦激振動時域模型結(jié)合，研究了海床參數(shù)對觸地區(qū)域響應(yīng)模態(tài)以及懸鏈線立管整體響應(yīng)位移的影響。
　　(6)采用雨流計數(shù)法編制了疲勞損傷計算程序，并通過比較渦激振動誘發(fā)的立管實驗?zāi)Ｐ推趽p傷的數(shù)值結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了驗證。對于渦激振動的頻域預(yù)報模型，對比分析了三種多模態(tài)誘發(fā)的疲勞損傷計算方法，并為橫流和順流渦激振動分別推薦了合適的方案。采用全耦合程序和渦激振動時域方法對深海懸鏈線立管進(jìn)行了相

8、應(yīng)分析，討論了觸地區(qū)域的疲勞損傷對波浪參數(shù)和海床參數(shù)敏感性。比較了時域和頻域方法得到的渦激振動誘發(fā)的觸地區(qū)域疲勞損傷，進(jìn)一步分析了前面推薦方案的合理性。
　　(7)分析了立管疲勞可靠性及疲勞安全因子的計算方法，并編制了響應(yīng)面法、蒙特卡洛法和Rosenblueth法程序。結(jié)合全耦合模型和頻域渦激振動預(yù)報模型，研究了渦激振動誘發(fā)的觸地點疲勞損傷概率分布特征、疲勞失效概率對不確定性因素的敏感性，討論了全耦合響應(yīng)和渦激振動誘發(fā)的年疲勞失效