深水隔水管的振动特性研究

论文摘要

海洋隔水管是连接海底井口与海洋平台的重要设备,随着海洋油气勘探开发向深水领域发展,隔水管的受力越来越复杂,同时随着水深的增加,隔水管的力学分析显得越来越重要。本文首先讨论了波浪理论、海流理论以及用Morison方程计算作用在隔水管上的环境载荷和Morison方程中系数选择问题,之后介绍隔水管的力学模型,导出了隔水管在水平运动方向的控制方程。在对隔水管进行静力分析和动力分析时,考虑了隔水管在海洋环境载荷作用下的小应变大变形的特点以及轴向力对其的影响,引入非线性理论,使计算结果更加符合实际情况。应用有限差分法对隔水管进行静力分析,考虑了超张力对隔水管受力状态的影响。利用Hermite插值函数对隔水管的控制方程进行有限元离散,采用Newmark方法求解隔水管的动力响应,同时绘出各节点的位移、弯矩响应曲线。计算程序由Matlab语言编写,并给出具体算例。研究结果表明,所采用的方法是正确、有效的,可以为隔水管的生产设计提供据依。对于深水隔水管而言,水下中间部位的横向位移最大,在隔水管靠近水面的位置,其弯曲应力最大。在横向位移和弯曲应力最大位置,应特别注意隔水管的强度问题。在隔水管长度、海洋环境载荷相同时,随着隔水管超张力的增大,节点的位移、弯矩都有明显的减少,因此,深水隔水管的超张力对其静力分析和动力分析都有显著的影响,在析分、设计和使用中必须加以考虑。在实际的作业过程中隔水管应保持足够的超张力,避免隔水管处于受压状态。在相同的海洋环境载荷和超张力作用下,随着隔水管长度的增加,轴向变形对节点位移的影响可忽略不计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 海洋隔水管的简化模型
• 1.2.2 海洋隔水管的耦合作用
• 1.3 本文研究主要内容
• 第二章 波浪理论
• 2.1 基本方程及边界条件
• 2.2 线性波浪理论
• 2.3 Stokes（司托克斯）波理论
• 2.3.1 Stokes（司托克斯）三阶波
• 2.3.2 Stokes（司托克斯）五阶波
• 2.4 椭圆余弦波理论
• 2.5 几种波浪理论适用范围的讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 波浪载荷
• 3.1 Morison（莫里森）方程
• 3.1.1 基本假定
• 3.1.2 Morison（莫里森）方程
• 3.2 Morison（莫里森）方程中系数的讨论
• 3.3 海流对波浪载荷的影响
• 3.4 流固耦合对波浪载荷的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 隔水管的数学模型与静力分析
• 4.1 隔水管的控制方程
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 隔水管控制方程的建立
• 4.1.3 隔水管的静力分析与动力分析
• 4.1.4 边界条件的分析
• 4.2 静力分析
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 数值方法
• 4.3 本章小结
• 第五章 东海钻井隔水管动力响应分析
• 5.1 隔水管动力响应分析数学模型
• 5.2 隔水管动力响应分析数值方法
• 5.3 Newmark 法
• 5.3.1 直接积分的思想
• 5.3.2 Newmark 法公式推导
• 5.3.3 Newmark 法求解过程
• 5.4 数值算例
• 5.4.1 计算模型及数值算法
• 5.4.2 计算结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 致谢