深水立管非線性靜力-動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值研究及鋪管安全評(píng)估.pdf

1、海洋油氣資源作為目前世界上重要的能源形式，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而海洋立管作為海洋油氣開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，是油氣運(yùn)輸?shù)淖顬榻?jīng)濟(jì)有效的方式。隨著海洋油氣工程不斷向深海區(qū)域發(fā)展，深水立管面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn):復(fù)雜海洋環(huán)境條件、顯著浮式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)以及管土相互耦合作用等。本文首先從解析和數(shù)值角度分別提出針對(duì)深水緩波型立管和陡波型立管的二維靜力分析基本理論，建立合理的緩波型立管和陡波型立管數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)研究海流水動(dòng)力荷

2、載作用下深水立管的靜力特性及其影響因素。然后通過(guò)改進(jìn)細(xì)長(zhǎng)桿理論模型提出適用于不同立管構(gòu)型的三維靜力/動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型，深入研究柔性管彎曲滯回特性以及防彎器約束對(duì)立管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響作用。最后，以舟山海上浮式平臺(tái)“華家池”號(hào)所處海域作為研究背景，實(shí)地采集該海域的真實(shí)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，研究柔性管海上鋪設(shè)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征，系統(tǒng)地建立一套復(fù)雜海洋環(huán)境下立管鋪設(shè)安裝安全評(píng)估的理論研究體系，主要研究工作可以概述為以下幾個(gè)方面:
　　(1)基于

3、深水緩波型立管(Lazy wave riser)不同管段受力特性進(jìn)行分段力學(xué)分析，采用懸鏈線法和線性梁理論的組合方法建立綜合考慮海流水動(dòng)力荷載和線性海床抵抗力等影響的二維靜力數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)循環(huán)迭代進(jìn)行數(shù)值求解，極大提高模型計(jì)算速度，深入研究緩波型立管構(gòu)型、內(nèi)力以及管道埋深等靜力特征，并通過(guò)OrcaFlex有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
　　(2)基于大變形梁理論，提出深水陡波型立管(Steep wave riser)的二維靜

4、力力學(xué)分析模型和計(jì)算方法，充分考慮立管抗彎剛度和水動(dòng)力荷載等影響作用，采用有限差分法進(jìn)行數(shù)值求解?；谠摂?shù)值計(jì)算結(jié)果，建立陡波型立管兩端防彎器約束下局部力學(xué)模型，針對(duì)該兩點(diǎn)邊值問題利用MATLAB內(nèi)置bvp4c函數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解，并通過(guò)OrcaFlex有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步研究陡波型立管構(gòu)型以及內(nèi)力分布特征，并揭示防彎器和立管彎曲變形之間的內(nèi)在關(guān)系。
　　(3)建立三維復(fù)雜海洋環(huán)境下適用于不同布置構(gòu)型的立管整體靜態(tài)/

5、動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論分析模型，分別采用文克勒地基模型和修正庫(kù)倫摩擦模型模擬管道-海床豎直相互作用和側(cè)向相互作用，采用活塞流模型模擬管道內(nèi)流作用，開展頂端簡(jiǎn)諧垂蕩激振作用下鋼懸鏈線立管和緩波型立管兩種工況的案例分析，探究頂端簡(jiǎn)諧垂蕩激振對(duì)鋼懸鏈線立管和緩波型立管運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律。
　　(4)建立三維復(fù)雜海洋環(huán)境下柔性立管整體靜態(tài)/動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論分析模型，充分考慮防彎器約束作用以及柔性管彎曲滯回特性，更加精確地預(yù)測(cè)柔性立管頂端區(qū)域和觸地區(qū)的靜

6、力特性和動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)合頂端簡(jiǎn)諧垂蕩激振作用下柔性立管運(yùn)動(dòng)分析案例，揭示防彎器約束以及柔性管彎曲滯回特性對(duì)立管整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，探究防彎器約束下頂端立管與防彎器相互作用機(jī)理。
　　(5)實(shí)地收集舟山海上浮式平臺(tái)“華家池”號(hào)所處海域的真實(shí)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，充分考慮波浪流水動(dòng)力作用及鋪管作業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)環(huán)境影響因素，采用試驗(yàn)方法測(cè)試柔性管軸力-應(yīng)變以及彎矩-曲率非線性關(guān)系，開展柔性管海上鋪設(shè)作業(yè)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析，建立完善的海上柔性