本文選題：懸鏈線立管 + 管土作用　； 參考：《中國海洋大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：立管是連接海床和海洋平臺的細(xì)長柔性構(gòu)件,主要用于鉆井和油氣輸送等。在各種類型的立管中,懸鏈線立管因具有安裝簡便、成本低和適合應(yīng)用于多種平臺類型等優(yōu)點,而在深海油氣開采中得到越來越多的應(yīng)用。盡管懸鏈線立管集諸多優(yōu)點于一身,但其特殊的布置形式所帶來的疲勞損傷一直是海洋工程領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問題,尤其是海流引起的渦激振動和管土相互作用會對立管破壞產(chǎn)生重大影響。因此對立管在海洋環(huán)境荷載下的渦激振動及管土相互作用的研究,不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義,而且具有重要的工程實際應(yīng)用價值。根據(jù)國內(nèi)外懸鏈線立管最新的研究進(jìn)展,目前對管土相互作用及渦激振動的研究主要采用截斷模型,而截斷模型不能準(zhǔn)確的估計立管觸地區(qū)域的疲勞破壞。本文主要針對懸鏈線立管管土相互作用及渦激振動進(jìn)行了整體動力響應(yīng)分析。論文的主要研究工作如下：總結(jié)了管土相互作用和渦激振動相關(guān)實驗及數(shù)值模擬的研究進(jìn)展,并詳細(xì)歸納了管土相互作用模型及渦激振動模型。給出了海洋立管受到的部分荷載及相關(guān)的計算方法。給出了管土相互作用的靜力和動力分析模型,并基于粱-彈簧模型編寫了立管初始嵌入海床的靜力分析程序,研究了海床表面剛度SuO、剪切剛度梯度Sug及立管壁厚對立管觸地區(qū)域形狀的影響,研究結(jié)果表明：立管埋入泥土的區(qū)域隨著Su0的減小而增大,而隨著立管壁厚的增大而增大,受Sug影響較小。基于Abudeny提出的溝槽模型建立了初始溝槽,研究了動力模型中管土分離因子、最大吸力因子和溝槽最大深度的影響,研究結(jié)果表明：立管觸地區(qū)域彎矩的最大值隨著管土分離因子、最大吸力因子和溝槽最大深度的增大而增大。進(jìn)行了立管的渦激振動試驗,研究了外流流速和海床類型對渦激振動的影響。試驗結(jié)果表明：立管順流向和橫向的振動應(yīng)變幅值均隨流速的增大而增加,在高流速下將會有多階模態(tài)參與渦激振動；海床類型將會影響立管的渦激振動響應(yīng)頻率,懸垂段以一階振動為主,順流向出現(xiàn)了二階振動,在低流速下,懸垂段和拖地段的應(yīng)變均較小且相差不大,而在高流速下,砂土海床和混合海床時立管的應(yīng)變要高于粘土海床,粘土海床時立管的破壞易發(fā)生在懸垂段,砂土海床時易發(fā)生在拖地段。給出了分析結(jié)構(gòu)動力特性時所需要的基本方程,研究了立管的固有頻率受外流流速、內(nèi)流流速及模型是否截斷的影響。研究結(jié)果表明：立管的固有頻率隨著內(nèi)流流速的增大而減小,而隨著外流流速的增加而增加,基本不受模型是否截斷的影響。與頂張力立管不同,懸鏈線立管在平面內(nèi)和平面外有兩種不同的振型,給出了平面內(nèi)外各前4階的振型,結(jié)果表明：模態(tài)振型節(jié)點的幅值并不是常數(shù),越靠近軸向張力大的一端幅值越大,平面外的渦激振動對觸地區(qū)域影響更大些。通過編寫自定義單元的方法采用尾流振子模型進(jìn)行了立管的渦激振動數(shù)值模擬。在研究中引入了已建立的管土相互作用模型,研究了在考慮立管拖地段時立管的渦激振動及渦激振動引起的立管拖地段的動力響應(yīng)。首先按照試驗數(shù)據(jù)建立模型,將均勻流下立管的數(shù)值模擬和試驗進(jìn)行了對比,證明了該模型的可行性,然后計算分析了剪切流下立管順流向和橫向耦合渦激振動響應(yīng)特性。
[Abstract]:The riser is a slender flexible component connecting the seabed and the offshore platform. It is mainly used in drilling and oil and gas transportation. In various types of risers, the catenary riser has the advantages of easy installation, low cost and suitable for various types of platform types. More and more applications have been obtained in deep sea oil and gas mining. Although Catenary Risers gather Many advantages are in one, but the fatigue damage caused by its special arrangement has been a challenging problem in the field of marine engineering. Especially, the vortex induced vibration and the interaction of pipe and soil caused by the sea current will have a great influence on the destruction of the opposite tube. It is of great academic significance and has important practical application value. According to the latest research progress of the catenary riser at home and abroad, the truncation model is mainly used to study the interaction of pipe and soil and vortex induced vibration, and the truncation model can not accurately estimate the fatigue damage of the riser area. This paper is mainly aimed at the suspension chain. The overall dynamic response of the soil interaction and vortex induced vibration is analyzed. The main research work of this paper is as follows: the research progress of the experimental and numerical simulation of the soil interaction and the vortex induced vibration is summarized, and the soil interaction model and the vortex induced vibration model are summarized in detail. The part of the marine riser is given. The static and dynamic analysis models for the interaction of pipe and soil are given. Based on the beam spring model, the static analysis program of the initial embedded seabed in the riser is written. The influence of the surface stiffness SuO, the shear stiffness gradient Sug and the vertical tube wall thickness against the shape of the region is studied. The area of the pipe embedded in the soil increases with the decrease of Su0, and increases with the increase of the wall thickness of the riser, and is less affected by the Sug. The groove model based on Abudeny has established the initial groove. The influence of the separation factor, the maximum suction factor and the maximum depth of the groove in the dynamic model is studied. The results show that the riser area is in the ground. The maximum bending moment increases with the increase of the pipe soil separation factor, the maximum suction factor and the maximum depth of the groove. The vortex induced vibration test of the riser is carried out. The effect of the flow velocity and the type of the seabed on the vortex induced vibration is studied. At high velocity, there will be multiple modes involved in vortex induced vibration, and the type of seabed will affect the frequency of the vortex induced vibration response of the riser. The suspension section is dominated by first order vibration, and the two order vibration appears in the downstream direction. At low velocity, the strain of the draping section and the towing section is small and the difference is small. At the high velocity, the sand seabed and the mixed seabed are standing. The strain of the tube is higher than the clay seabed. The damage of the riser in the clay seabed occurs easily in the draping section. The sand seabed occurs easily in the towing section. The basic equations for analyzing the dynamic characteristics of the structure are given. The influence of the flow velocity of the riser, the flow velocity of the inner flow and the truncation of the model is studied. The natural frequency of the tube decreases with the increase of the flow velocity, and increases with the increase of the flow velocity. It is not affected by the truncation of the model. Unlike the top tension riser, the catenary riser has two different modes of vibration in the plane and outside the plane, and the first 4 modes of vibration are given in the plane and inside the plane. The results show that the modal node is the modal node. The amplitude is not constant, the larger the amplitude of the axial tension is, the larger the amplitude of the large axial tension is, the vortex excited vibration outside the plane has a greater impact on the ground. The wake vibrator model is used to simulate the vortex induced vibration of the riser by the method of writing custom elements. The dynamic response of the vertical tube in the vertical pipe caused by the vortex induced vibration and the vortex excited vibration is considered. First, the model is established according to the experimental data. The comparison of the numerical simulation and the test of the riser in the uniform flow is made, and the feasibility of the model is proved. Then the flow direction and transverse coupling vortex excitation of the riser under the shear flow are calculated and analyzed. Vibration response characteristics.

【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P756.2

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本文編號：1792105