海洋立管与管线的碰扰问题分析

论文摘要

海洋油气立管系统是油气开发系统中最薄弱的构件之一,也是海洋石油开发的“瓶颈”问题。在拥挤的海洋环境中,在内部流体和外部环境中波流作用、上部模块运动、VIV三大诱因作用之下,立管与管线之间可能会发生碰撞而导致结构的破坏。这不仅会带来巨大的经济损失,也会给环境造成无法挽回的恶劣影响。立管的碰撞分析近年来成为立管设计中必不可少的一个重要部分,越来越受到工程界的关注。目前的设计准则中大多规定在设计立管阵列时预留出足够的空间以防止立管间发生接触和碰撞。但随着海洋油气开发向深水迈进,发生碰撞的可能性将大大提高,预留足够的空间将造成很大经济成本。因此,一旦发生碰撞,哪些因素对碰撞响应的影响最敏感,是本文将研究的问题。以前的一些研究学者通常将立管的碰撞对象假设为刚体,而实际情况并不是这样,在立管碰撞的瞬间,两立管均有不同程度的变形,因此本文将立管均视为变形体处理。本文将采用三维有限元分析软件ABAQUS对立管碰扰事件进行模拟,使用显式动力求解器进行计算,并对结果进行讨论分析。本文给出了研究立管碰扰问题所需的基本理论和研究方法,主要包括立管碰撞的简化模型、参与质量法、API推荐方法、能量法等。由于立管碰撞问题是接触问题,本文将介绍求解问题所用到的接触面、接触力理论和ABAQUS有限元分析软件显式动力求解器Explicit,详细讨论了显式动力求解器在计算立管碰撞问题上对隐式动力求解器的比较优势。本文利用ABAQUS建立立管局部碰撞的三维有限元模型,并使用显式动力求解器得出结构相应,通过设定不同的立管间碰撞角度、碰撞速度,将计算结果进行对比,得出结论。本文还建立了覆盖有氯丁二烯橡胶的立管模型,并通过将计算结果与裸管的碰撞响应进行对比,得出橡胶涂层对立管保护作用的结论。本文还研究了几种初始条件对立管损伤的影响,讨论了立管碰撞的总体响应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 立管系统的种类和关键技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 立管碰扰问题分析的主要理论与基本方法
• 2.1 立管碰撞问题的简化
• 2.2 参与质量法
• 2.3 API推荐方法
• 2.4 能量法
• 2.5 本章小结
• 第3章 立管碰撞问题的有限元理论
• 3.1 接触和碰撞问题的有限元理论
• 3.1.1 接触面方程
• 3.1.2 接触问题的求解方案
• 3.1.3 接触问题的有限元离散
• 3.1.4 有限元方程解法
• 3.2 ABAQUS/Explicit介绍
• 3.2.1 ABAQUS软件介绍
• 3.2.2 ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit功能对比
• 3.3 利用ABAQUS求解接触问题的方案
• 3.3.1 ABAQUS/Explicit接触分析
• 3.3.2 接触问题单元网格
• 3.3.3 接触对的设定
• 3.3.4 接触属性
• 3.3.5 分析步骤设置
• 3.4 本章小结
• 第4章 立管碰撞问题的有限元分析
• 4.1 立管碰撞有限元建模准备
• 4.1.1 参数选择
• 4.1.2 碰撞速度选择
• 4.1.3 氯丁二烯橡胶
• 4.2 建立有限元模型
• 4.3 碰撞时立管间夹角的影响
• 4.4 裸管碰撞和带有氯丁橡胶涂层立管碰撞对比
• 4.5 立管碰撞相对速度夹角的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 立管碰撞损伤及总体响应研究
• 5.1 碰撞损伤研究
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 有限元模型分析方法
• 5.1.3 计算结果的讨论
• 5.1.4 与简化模型的理论分析方法比较
• 5.2 局部碰撞机理
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢