【摘要】：深海氣液混輸立管處于復雜的深海環(huán)境中,受到波浪、海流等環(huán)境載荷和立管頂端張緊力、自重和浮力等載荷共同作用,其力學性能分析較為復雜。當海流經(jīng)過立管(細長結構物)時,會在兩側產(chǎn)生漩渦。當漩渦的釋放頻率與立管本身的固有頻率接近時,立管會發(fā)生耦合共振,其振動幅值急劇加大。長此以往,立管會發(fā)生疲勞損傷,危害石油平臺的生產(chǎn)安全。本文先介紹了立管力學性能分析時使用的線性波浪理論、斯托克斯波浪理論和Morison方程。選取合適的波浪理論和流體動力學系數(shù),計算Morison方程可得到立管單位高度的波浪力。得到立管的載荷后,可通過直接積分法對立管的運動控制方程求解,分析立管的響應特性。應用ABAQUS有限元分析軟件比較、分析了立管在不同的邊界條件下的立管模態(tài)響應。在此基礎上,分析了立管的環(huán)境變量和自身物理參數(shù)對立管固有頻率的影響。立管的干模態(tài)和濕模態(tài)在階數(shù)較低時,兩者的頻率相差較大;不過隨著模態(tài)數(shù)的增加,其差距越來越小。立管的固有頻率隨著立管長度、壁厚和外徑的增大而減少,隨著頂張力的增大而增大。在第三類邊界條件的基礎上,通過改變海流流速,研究了立管的“失諧”和“鎖定”現(xiàn)象。在ABAQUS的分析基礎上,通過FLUENT研究了立管的圓柱繞流現(xiàn)象。并比較立管在裸管和帶螺旋側板兩種方式下的立管振動特性,結果表明安裝螺旋側板后,立管臨界流速變大,在一定程度上抑制立管的渦激振動。最后,根據(jù)ABAQUS動力分析中得到的應力時程曲線,判斷立管是否處于安全狀態(tài)。通過雨流計數(shù)法和不同S-N曲線可以計算立管的疲勞壽命,發(fā)現(xiàn)立管頂端處的截面為最危險截面。應用不同的S-N曲線計算疲勞損傷,DNV規(guī)范的D類曲線最為嚴格。
[Abstract]:Deep-sea gas-liquid mixed riser is in a complex deep-sea environment, subjected to waves, currents and other environmental loads and the top of the pipe tensioning, gravity and buoyancy loads, the mechanical properties of the analysis is more complex. As the current passes through the riser (slender structure), a whirlpool occurs on both sides. When the vortex release frequency is close to the natural frequency of the riser itself, the riser will have coupling resonance and its vibration amplitude will increase sharply. In the long run, the riser will have fatigue damage, endangering the production safety of oil platform. In this paper, the linear wave theory, Stokes wave theory and Morison equation are introduced. The wave force per unit height of riser can be obtained by calculating Morison equation with appropriate wave theory and hydrodynamic coefficient. After the load of riser is obtained, the response characteristics of riser can be analyzed by solving the motion control equation of riser by direct integration method. The modal responses of risers under different boundary conditions are analyzed by using ABAQUS finite element analysis software. On this basis, the influence of environmental variables and physical parameters of riser on the natural frequency of riser is analyzed. The frequency difference between dry mode and wet mode of riser is larger when the order is lower, but with the increase of the number of modes, the difference becomes smaller and smaller. The natural frequency of riser decreases with the increase of riser length, wall thickness and outer diameter, and increases with the increase of top tension. On the basis of the third kind of boundary conditions, the phenomenon of "detuning" and "locking" of risers is studied by changing the current velocity. Based on the analysis of ABAQUS, the flow around a cylinder of riser is studied by FLUENT. The vibration characteristics of riser in bare tube and with spiral side plate are compared. The results show that the critical velocity of riser increases after the installation of spiral side plate, which to some extent inhibits the vortex-induced vibration of riser. Finally, according to the stress time history curve obtained from ABAQUS dynamic analysis, the safety of riser is judged. The fatigue life of riser can be calculated by rain flow counting method and different S-N curves. It is found that the section at the top of riser is the most dangerous section. Using different S-N curves to calculate fatigue damage, the class D curve of DNV code is the strictest.
【學位授予單位】：中國計量大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P756.2

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本文編號：2322920