深海钢悬链立管动力分析及触地点疲劳特性评估

论文摘要

近年来我国加快开发南海资源的脚步,因此研发具有自主核心技术的深海工程装备已成为优先任务。钢悬链立管（SCR）是进行深海资源开发的关键设备,它具有复杂的非线性动力特性,其独特的结构形式为设计、制造、安装和安全服役提出了新挑战。触地点（TDP）是钢悬链立管最初接触到海床的部位,也是结构分析的特征点。该位置是悬垂段与流线段的连接点,易发生疲劳破坏,进而危及整个采油系统的安全。该区域有部分初始悬空的立管会浸入海底,与土壤发生相互作用,同时涉及到大变形与非线性。所以,触地点是钢悬链立管数值分析的难点,需要展开针对性的研究。本文针对深海钢悬链立管的动力分析及触地点的疲劳特性问题进行深入研究,主要工作如下:1、考虑海洋环境,建立基于非线性弹簧的钢悬链立管Lumped-Mass有限元耦合模型。探讨了钢悬链立管的发展及数值分析、疲劳分析的研究进展,在此基础上明确了研究方法,确立触地点为立管整体分析过程中需要重点关注的区域。借助P-y曲线考虑土壤的三维非线性反力,用修正后的Morison方程仿真海洋环境载荷,最终成功构造立管数值模型,并通过实验分析验证了该模型的合理性。2、展开多工况非线性动力分析,得到立管的动力特性,重点研究触地点的动力响应。相对于频域动力分析,时域分析能更好的处理立管强非线性问题,其计算精度更高。结构整体分析的结果表明:在不同工况下,上端点均是刚性立管疲劳分析的特征点,而钢悬链立管疲劳分析的特征点位于触地点区域。通过比较多工况下的触地点响应时程,展示各因素的影响程度:浮体运动与制造材料变化的作用较大,而波浪改变对触地点动力特性的影响有限。此外,讨论的其它环境载荷与设计参数也具有一定影响。3、参数敏感性分析立管工作寿命,着重探讨触地点疲劳特性,提出改善疲劳寿命的建议。基于立管动力研究,展开S-N曲线法疲劳分析,对比计算结果可知:触地点的疲劳寿命最小,定期变换该区域,可缓解疲劳累积;合理采用S-N曲线、改良制造工艺,能优化特征点应力集中;浮体垂荡对立管疲劳寿命影响较大,适当选择浮体有利于缓和耦合运动;借助浮力装置或混合形式,可以改善土壤非线性反力作用;在特征位置使用保护外层或钛合金等材料,有助于拓展立管适用空间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢悬链立管的发展概况
• 1.2 深海钢悬链立管触地点的研究意义
• 1.3 主要工作
• 1.4 技术路线
• 第二章 深海钢悬链立管的数值模拟
• 2.1 深海钢悬链立管数值模拟的研究进展
• 2.2 基于P-y 曲线的非线性弹簧模型
• 2.2.1 P-y 曲线
• 2.2.2 非线性弹簧模型
• 2.3 海洋环境载荷
• 2.3.1 波浪载荷
• 2.3.2 波流联合载荷计算
• 2.4 立管有限元建模
• 2.4.1 有限元理论
• 2.4.2 有限元模型
• 2.5 立管有限元模型精度分析
• 2.5.1 模型网格分析
• 2.5.2 模型步长分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 深海钢悬链立管的疲劳分析
• 3.1 深海钢悬链立管疲劳分析的研究进展
• 3.2 疲劳破坏的基本理论
• 3.3 疲劳特性的分析理论
• 3.3.1 S-N 曲线
• 3.3.2 P-S-N 曲线
• 3.3.3 雨流计数法
• 3.3.4 疲劳累积损伤
• 3.3.5 应力修正
• 3.4 疲劳寿命的评估方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 深海钢悬链立管的整体动力特性研究
• 4.1 深海钢悬链立管数值分析的研究进展
• 4.2 非线性动力分析理论
• 4.3 刚性立管的动力分析
• 4.3.1 立管及海洋环境参数
• 4.3.2 安装阶段立管的模态分析
• 4.3.3 安装阶段立管的动力分析
• 4.3.4 钻探阶段立管的模态分析
• 4.3.5 钻探阶段立管的动力分析
• 4.3.6 顶张力立管的模态分析
• 4.3.7 顶张力立管的动力分析
• 4.4 钢悬链立管的动力分析
• 4.4.1 立管及海洋环境参数
• 4.4.2 立管的模态分析
• 4.4.3 立管的动力分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 深海钢悬链立管触地点的动力特性研究
• 5.1 不同载荷条件下的立管触地点动力特性分析
• 5.1.1 波流载荷变化
• 5.1.2 浮体垂荡变化
• 5.1.3 海床刚度变化
• 5.2 不同设计参数下的立管触地点动力特性分析
• 5.2.1 管径参数变化
• 5.2.2 壁厚参数变化
• 5.2.3 制造材料变化
• 5.3 本章小结
• 第六章 深海钢悬链立管触地点的疲劳特性评估
• 6.1 不同S-N 曲线下的立管触地点疲劳特性分析
• 6.1.1 DNV 曲线
• 6.1.2 ABS 曲线
• 6.1.3 DOE 曲线
• 6.2 不同载荷条件下的立管触地点疲劳特性分析
• 6.2.1 波流载荷变化
• 6.2.2 浮体垂荡变化
• 6.2.3 海床刚度变化
• 6.3 不同设计参数下的立管触地点疲劳特性分析
• 6.3.1 管径参数变化
• 6.3.2 壁厚参数变化
• 6.3.3 制造材料变化
• 6.4 触地点疲劳寿命的改善建议
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参与的科研项目
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书