深水S型鋪設(shè)托管架基本設(shè)計關(guān)鍵力學(xué)問題研究.pdf

1、在深水海洋油氣開發(fā)中，海底管道的鋪設(shè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。對于大口徑管道深水鋪設(shè)，如果采用傳統(tǒng)的S型鋪設(shè)方法，管道的上彎段要承受很大的彎曲變形。為了克服這一問題，人們提出了J型鋪設(shè)法的概念，但是J型鋪設(shè)缺點(diǎn)是鋪設(shè)效率很低。近年來，人們在深水大口徑S型管道鋪設(shè)方面取得了突破，其中關(guān)鍵在于托管架設(shè)計技術(shù)。然而，采用深水S型鋪設(shè)仍存在很大的風(fēng)險，尤其是深水托管架設(shè)計仍存在許多不確定的因素，特別是在基本設(shè)計層面。
　　深水托管架包括主結(jié)構(gòu)與輔

2、助結(jié)構(gòu)。主結(jié)構(gòu)的作用是為管道的上彎段提供幾何邊界條件，也是托管架設(shè)計的主要研究工作。托管架主結(jié)構(gòu)可以簡化為一個曲梁結(jié)構(gòu)，而梁的長度與剛度是基本設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)。為了對保證管道上彎段的約束，托管架要有足的弧長，同時也要有足夠的剛度。
　　深水托管架的設(shè)計荷載主要有托輥載荷與船體運(yùn)動引起的慣性載荷。大口徑管道深水鋪設(shè)的上彎段，通過托輥對托管架施加了很大的重力荷載，而船體運(yùn)動導(dǎo)致了該荷載分布狀態(tài)及幅值變化的不確定性;且托管架主要參數(shù)又與管道

3、參數(shù)和張緊力相關(guān)，目前這些設(shè)計參量之間的相互關(guān)系尚無明確的表達(dá)式描述。這使得托管架設(shè)計缺少相應(yīng)的分析及設(shè)計理論。
　　針對托管架基本設(shè)計中涉及的復(fù)雜問題，本文首先分析了托管架基本參數(shù)與管道之間的關(guān)系。通過對下彎段分析，得到了其頂端設(shè)計張力及脫離角度的表達(dá)式，并以此為邊界條件對上彎段分析，獲得了上彎段管道與托管架基本設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，得到了托管架基本參數(shù)設(shè)計模型，包括托管架曲率半徑及長度，托輥幾何參數(shù)，以及作用在托輥上的靜載荷;通

4、過將托管架結(jié)構(gòu)剛度凝聚到基本設(shè)計中得到的離散點(diǎn)上，在這些點(diǎn)與管道之間設(shè)置間隙單元，得到了托管架結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度快速驗證模型。這樣利用數(shù)值分析解決了托管架基本設(shè)計中托管架幾何參數(shù)、托管架剛度和管道之間的相互關(guān)系。其次，針對鋪設(shè)時船體運(yùn)動引起的動態(tài)接觸以及托管架設(shè)計動荷載，提出了深水托管架子結(jié)構(gòu)試驗方法，將托管架及上彎段管道作為一個子結(jié)構(gòu)，將下彎段管道及鋪管船簡化為該子結(jié)構(gòu)的等效輸入和集中質(zhì)量，而不必考慮其具體物理模型，解決了深水托管架試驗幾何

5、比尺選擇的問題。利用該試驗方法分析了托管架設(shè)計動載荷的分布狀態(tài)，定義了動載荷放大因子，得到了既定船體運(yùn)動下托管架設(shè)計載荷的放大因子包絡(luò)，為托管架結(jié)構(gòu)設(shè)計動載荷的選取提供了借鑒。最后，在模型試驗的基礎(chǔ)上，對托管架結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行了預(yù)測，并基于管道分析及托管架設(shè)計結(jié)論提出了基于托管架數(shù)值模型的管道鋪設(shè)實(shí)時安全監(jiān)測方案。該方案可通過采集實(shí)時鋪設(shè)數(shù)據(jù)即時判斷管道與托管架安全狀態(tài)，這對于實(shí)際管道鋪設(shè)工程具有重要的保障作用。
　　通過數(shù)值分析及模