波流作用下鋼懸鏈線立管與海床土相互作用機理研究

《波流作用下鋼懸鏈線立管與海床土相互作用機理研究》是依託浙江海洋大學，由白興蘭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：波流作用下鋼懸鏈線立管與海床土相互作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：白興蘭
• 依託單位：浙江海洋大學

項目摘要

鋼懸鏈線立管（SCR）作為連線海上浮式裝置和海底管道的立管系統被廣泛用於深水開發項目中，在海洋環境和浮體運動的影響下，SCR流線段與海底相互作用，是導致觸地點疲勞損傷的重要因素，成為各國學者的研究熱點。但在SCR動力分析中大多是將海床模擬為線彈性剛度模型，這與實際的海床條件有較大差異。本研究以SCR與海床相互作用為研究對象，採用大撓度曲線梁模擬SCR，在波流和浮體運動作用下，建立考慮海床土滯回特性和吸力的非線性剛度模型，同時考慮溝槽的側向阻力和海底摩擦效應，揭示SCR與海床相互作用機理。以物理模型試驗與有限元數值計算為手段，研究海床土的非線性彈性和彈塑性剛度以及在反覆荷載作用下的滯回特性，土吸力特性及其與管線運動速度和重塑時間的關係，土的摩擦特性以及溝槽的形成，浮體運動對觸地點疲勞分析的影響，建立更符合實際的海床作用模型，為SCR特別是觸地點疲勞分析和結構最佳化設計提供有力的理論依據和指導。

結題摘要

鋼懸鏈式立管（SCR）是一種新型深水立管系統，是浮式平台油氣輸送的首選立管型式。SCR集海底管線與一身，一端連線海底井口，一端通過柔性接頭連線浮式結構。SCR與海床剛接觸的區域稱為觸地點區域，是鋼懸鏈式立管疲勞分析的關鍵位置。SCR與海床相互作用過程非常複雜，對立管的動力回響和疲勞壽命有較大的影響。研究結果表明疲勞壽命的評估與選用的海床土剛度有關。因此為了能夠準確的評估SCR觸地點處的疲勞壽命，需要採用合理的海床模型。 以SCR觸地區與海床土相互作用為研究對象，基於大撓度柔性索理論建立了大撓度曲線梁力學模型，在波流和浮體二維簡諧運動作用下，建立了法向非線性海床剛度模型和Spar-SCR整體分析模型，研究浮體運動下SCR與海床的相互作用機理。①以有限元數值計算為主要手段，研究了海床土吸力、土剪下強度等土體參數對立管動力回響、觸地區疲勞壽命的影響，以及不同海床土強度和不同垂盪幅值情況下立管的動態回響及管土作用的荷載-位移關係曲線。結果表明，在非線性管土相互作用分析過程中，觸地區的節點會經歷不同的管土作用過程，證明採用的力學模型可以模擬立管觸地點的移動。隨著上部結構的運動幅值增加與海床土的強度的增大，立管的最大貫入深度也會相應的增加和減小。立管最大彎矩值和最大應力值主要受到上部結構運動幅值的影響，隨著上部結構的運動幅值增大，立管的最大彎矩、應力值也會隨之增大；②開展了小尺寸三維管土相互作用模擬試驗研究，得到在三維簡諧運動作用下立管觸地區的應力分布，研究表明豎直方向的運動對立管的應力影響較大，受試驗設備限制，幾何比尺較小，難以反應實際；③建立了Spar-SCR整體分析模型，將二者作為一個整體，連線方式為固結，對CABLE3D程式進行了二次開發，其結果分別與浮體運動回響和運動耦合分析方法進行了比較，結果表明，整體分析方法能很好的反映結構之間的動力效應，但是結果偏於保守。 通過本項目的研究，建立了更符合實際的法向管土作用模型，為SCR特別是觸地點疲勞分析和結構最佳化設計提供有力的理論依據和指導。