一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，其將鋼懸鏈線立管模擬為大撓度曲線梁模型，將浮式平臺的運動作為立管的頂端邊界條件，采用P-y曲線法數(shù)值模擬鋼懸鏈線立管與海床的相互作用過程，包括海床未變形時的線彈性剛度、立管離開海床時的吸力效應(yīng)以及往復(fù)作用過程中的非線性剛度，建立鋼懸鏈線立管與海床土的相互作用模型，結(jié)合浮式平臺的運動方程，并與鋼懸鏈線立管的模擬模型相結(jié)合，將之應(yīng)用于鋼懸鏈線立管觸地點的動力響應(yīng)分析。本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有將海床模擬為線彈性彈簧或剛性海床的方法，能夠準(zhǔn)確模擬鋼懸鏈線立管與海床的相互作用，提高了鋼懸鏈線立管觸地點動力分析的計算精度。
【專利說明】一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于深海油氣平臺的鋼懸鏈線立管研究技術(shù)，具體涉及一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼懸鏈線立管是深海油氣開發(fā)的新型立管系統(tǒng)，1996年首條鋼懸鏈線立管正式應(yīng)用于深海油氣資源開發(fā)，它在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上比傳統(tǒng)的柔性立管和頂張力立管系統(tǒng)有了長足的進(jìn)步，成為深海油氣資源開發(fā)的首選立管系統(tǒng)。
[0003]鋼懸鏈線立管的一端與浮式平臺連接并自由懸垂至海底，形成懸鏈線的形狀。鋼懸鏈線立管與海底接觸的第一點稱為觸地點，從平臺到觸地點的一段稱為懸垂段。鋼懸鏈線立管的另一端與井口(生產(chǎn)立管)或海底終端(輸運立管)連接，從觸地點至井口或海底終端的一段管線稱為流線段。流線段敷設(shè)在海床上，當(dāng)懸垂段在波流和浮體運動，特別是慢漂運動的影響下，流線段將隨著懸垂段的運動與海床發(fā)生相互作用，立管的往復(fù)運動及海底沖刷將在海底形成溝槽。海床土的滯回特性、吸力特性、摩擦以及溝槽阻力等對鋼懸鏈線立管，特別是觸地點的動態(tài)響應(yīng)計算及疲勞分析有較大的影響，也是鋼懸鏈線立管設(shè)計的控制要素。由于立管與海床的循環(huán)作用，土的強(qiáng)度及剛度特性不同于靜載作用下的表現(xiàn)，循環(huán)載荷導(dǎo)致的土體孔隙水壓力發(fā)展和有效應(yīng)力降低，飽和黏土的強(qiáng)度和剛度特性會發(fā)展演變并逐漸成強(qiáng)度軟化和剛度退化的趨勢。由于土的粘性性質(zhì)，海床土將阻礙流線段的拔出而表現(xiàn)出吸附作用，吸力的大小與立管的運動速度和二者相互作用次數(shù)以及土的重塑時間有關(guān)，也是最不確定的因素，它對立管的疲勞損傷影響較小，易引起極限應(yīng)力的增大。
[0004]為了更實際地反映立管與海床土體的相互作用，必須正確理解和判斷鋼懸鏈線立管與海床相互作用系統(tǒng)的非線性，建立可靠的數(shù)學(xué)模型，目前關(guān)于鋼懸鏈線立管觸地點的動力分析方法存在以下問題:
[0005]I)將鋼懸鏈線立管簡化為直梁模型或集中質(zhì)量模型。鋼懸鏈線立管與錨鏈和柔性立管具有相似的懸鏈線形狀，但是它的彎曲剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柔性立管，而錨鏈不具有彎曲剛度，因此，不能采用錨鏈或柔性立管的分析方法。目前，鋼懸鏈線立管的力學(xué)模型主要包括集中質(zhì)量模型和直梁模型。鋼懸鏈線立管的流線段是自由鋪設(shè)在海床上的，因此，管線與海床土的接觸是連續(xù)的，即海床土對管線的約束反力(包括支撐反力和吸力)也是連續(xù)分布的。目前的分析方法均采用在節(jié)點處(集中質(zhì)量模型則只能作用在集中質(zhì)量上)設(shè)置彈簧支撐來模擬連續(xù)分布的海床土約束反力，因此，是一種簡化分析方法，其結(jié)果不夠精確。可見這兩種方法都無法模擬該區(qū)域。
[0006]2)海床土的線彈性約束模型或剛性海床。目前的分析方法，僅僅考慮管線向下運動時，海床土的支撐反力作用，用線性彈簧來模擬海床土的支撐反力，而不考慮管線向上運動時海床土的吸力作用和海床土的非線性剛度。鋼懸鏈線立管在波浪作用和浮式平臺運動的影響下將產(chǎn)生運動，這個運動將使鋼懸鏈線立管的流線段產(chǎn)生豎直方向的往復(fù)運動，從而與海床發(fā)生相互作用。這個相互作用將使海床土液化并形成管溝，當(dāng)管溝深度達(dá)到1.5倍的管徑時，管溝將趨于穩(wěn)定，深度不再發(fā)展。此時，管溝內(nèi)將始終有液化的土存在。因此，海床土對流線段的運動將起到一定的阻礙作用。這個阻礙作用不僅僅體現(xiàn)在管線向下運動時，海床土的支撐反力作用，還體現(xiàn)在，當(dāng)管線向上運動時，由于附著力引起的吸力作用。目前的分析方法，僅僅考慮管線向下運動時，海床土的支撐反力作用，用線性彈簧來模擬海床土的支撐反力，而不考慮管線向上運動時海床土的吸力作用和海床土的非線性剛度。
[0007]由此可見，現(xiàn)有的鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法沒有考慮鋼懸鏈線立管的大撓度對立管剛度的影響，沒有考慮海床土支撐反力的非線性，沒有考慮海床土吸力對鋼懸鏈線立管流線段的約束作用，將連續(xù)分布的海床土約束力簡化為集中約束反力，將連續(xù)的分布質(zhì)量系統(tǒng)簡化為集中質(zhì)量系統(tǒng)。因此，所得到的分析結(jié)果精度不夠高，與工程的實際情況存在著一定的差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，從而提高鋼懸鏈線立管的計算精度，使鋼懸鏈線立管的分析更加符合工程實際情況。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，該方法采用大撓度曲線梁模型模擬鋼懸鏈線立管的懸垂段；基于P-y曲線建立海床土的非線性剛度模型，建立海床土的吸力模型，與浮式平臺的運動方程相結(jié)合，形成鋼懸鏈線立管與浮式平臺的整體運動分析模型，通過求解整體運動分析模型方程得到鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)。
[0010]進(jìn)一步，如上所述的深海鋼懸鏈線立管觸地點動力分析方法，該方法p-y曲線法建立了海床土的非線性剛度模型，根據(jù)海床土吸力對鋼懸鏈線立管動力響應(yīng)的影響，建立了海床土的吸力模型，將之應(yīng)用于鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析。
[0011]具體來說，該方法鋼懸鏈線立管的流線段，基于p-y曲線法，建立鋼懸鏈線立管與海床土雙向作用，建立二者的相互作用模型，其模型公式為:
[0012]pr -( Mt ) -(Ar) -q + P = 0
[0013]其中P是海床土對立管單位長度的反力。
[0014]將作用過程區(qū)分為四個不同的路線(如圖3所示)，具體算法如下:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:該方法采用大撓度曲線梁模型模擬鋼懸鏈線立管的懸垂段；采用P-y曲線法數(shù)值模擬鋼懸鏈線立管與海床的相互作用過程，該過程包括海床未變形時的線彈性剛度、立管離開海床時的吸力效應(yīng)以及往復(fù)作用過程中的海床非線性剛度，與海床土特性相關(guān)的臨界阻尼系數(shù)；并將鋼懸鏈線立管頂端通過鉸鏈與浮式平臺相連，不考慮該處的扭矩，由于水深較大，該處的扭轉(zhuǎn)對觸地點區(qū)域的彎矩影響很小，可忽略不計；將鋼懸鏈線立管的模擬模型與海床剛度模型相結(jié)合，通過求解鋼懸鏈線立管運動方程得到鋼懸鏈線立管觸地點的動力響應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:該方法根據(jù)海床土剛度對鋼懸鏈線立管動力響應(yīng)的影響，基于P-y曲線法建立了海床土非線性剛度模型，將之應(yīng)用于鋼懸鏈線立管的動力分析。
3.如權(quán)利要求1所述的深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:該方法根據(jù)海床土吸力對鋼懸鏈線立管動力響應(yīng)的影響，建立了海床土的吸力模型，將之應(yīng)用于鋼懸鏈線立管的動力分析。
4.如權(quán)利要求1所述的深海鋼懸鏈線立管動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:該方法采用大撓度曲線梁模型模擬鋼懸鏈線立管的懸垂段的模型公式為:pr + (Br")" -(λr)' -q = O 其中，P為鋼懸鏈線立管單位長度的質(zhì)量，包括管中的流體質(zhì)量； B為鋼懸鏈線立管的截面抗彎剛度； r.為鋼懸鏈線立管的加速度矢量； r為鋼懸鏈線立管的坐標(biāo)矢量； q為鋼懸鏈線立管的分布外荷載，包括波浪和海流； λ為拉格朗日乘子，λ =T-Bk2; K為鋼懸鏈線立管的曲率； T為鋼懸鏈線立管的內(nèi)部張力； '和"分別表示對坐標(biāo)的一階和二階導(dǎo)數(shù)。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的深海鋼懸鏈線立管觸地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:基于P-y曲線法，建立鋼懸鏈線立管與海床土雙向作用，建立二者的相互作用模型，其模型公式為: pr + （Br"）"— (λr)' — q + P = O 其中P是海床土對立管單位長度的反力，包括海床土支撐力和土吸力。 將作用過程區(qū)分為四個不同的路線(如圖1所示)，具體算法如下:
6.如權(quán)利要求5所述的鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐苡|地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:僅考慮浮式平臺的平動，忽略其轉(zhuǎn)動慣性矩。
7.如權(quán)利要求5所述的鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐苡|地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:對上述方程進(jìn)行求解，按照API RP2RD規(guī)范的要求將鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐軇澐譃槿舾蓚€單元，采用梁單元插值函數(shù)計算單元的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，形成相應(yīng)的系統(tǒng)總體矩陣。
8.如權(quán)利要求7所述的鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐苡|地點動力響應(yīng)分析方法，其特征在于:對鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芘c海床相互作用模型方程，采用時程分析法求解，得到鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐苡|地點的加速度、速度、位移、彎矩、動張力的動力響應(yīng)。
【文檔編號】G06F17/50GK103902754SQ201210585261
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】白興蘭, 魏東澤, 高若沉 申請人:浙江海洋學(xué)院