非金属粘结性海洋柔性立管接头结构综述

海洋柔性立管与海上浮式结构相连接的接头,其服役期间的可靠性和安全性直接影响整个柔性管的使用寿命。国内针对海洋柔性立管接头的研究起步较晚,目前与海洋柔性立管配套使用的接头全部依靠进口。国内目前能查到的相关资料均集中于非粘结性柔性立管的接头结构研究,而对于非金属粘结性海洋柔性立管接头结构的研究国内还未见相关综述。对国外常用的粘结性海洋柔性立管接头使用情况进行了长期调研,综述了Traplock 型接头、Swaged 型接头、Magma 型接头的结构和其连接形式。对海洋柔性立管接头国产化研制具有一定的意义。     

柔性立管内部骨架层径向承载能力计算研究

骨架层作为非粘接柔性立管的最内层结构,其主要失效形式是径向压溃。为了探讨骨架层的径向承载能力,以铁木辛柯弹性稳定理论为基础,通过模型简化及刚度等效方法,建立了非粘接柔性立管骨架层的理论模型,求得其在静水压力作用下的临界压溃值。针对理论模型无法计入层间接触、材料非线性及初始椭圆度等因素,利用ABAQUS建立骨架层的三维有限元数值模型,分析了骨架层的材料非线性和初始椭圆度对骨架层径向失效的影响。分析结果表明:材料非线性会较大幅度地降低骨架层的临界压溃值;随着初始椭圆度的增大,骨架层临界压溃值减小。利用多层厚壁圆筒模型计算出骨架层在不同初始椭圆度下,考虑材料非线性柔性立管所能下放铺设的适用水深,实现了其工程应用。所得结果可为柔性立管的安全使用提供参考。     

轴向拉伸下非粘结柔性管抗拉铠装层力学响应

与传统管道相比,海洋非粘结柔性管具有良好的柔韧性与适用性,逐渐成为深海油气运输的核心装备。柔性管在海洋中受到巨大的拉伸载荷,其响应规律的研究对柔性管的设计及应用具有重要意义。鉴于此,采用有限元法建立了柔性管的完全三维等效模型,分析了轴向拉伸载荷下柔性管在抗拉铠装层出现损伤的条件下以及存在其他不同外载荷条件下的响应,并对不同情况下所得的拉伸刚度进行了比较。分析结果表明：抗拉铠装层的损伤会出现不同程度的应力集中现象,并且在一定程度上降低柔性管的拉伸刚度,其中抗拉铠装层的外层损伤与内层损伤对拉伸刚度的影响差别并不明显;其他外载荷也会对柔性管拉伸响应产生相应的影响,如适当大小的静水压力会增强柔性管的拉伸刚度,但过大的静水压力会使柔性管骨架层压溃和塌陷,扭矩会相对降低柔性管的拉伸刚度。研究结果可对柔性管的设计制造以及其应用中预测柔性管的刚度变化起到参考作用。     

基于微分变换法的海洋立管模态参数影响分析

为探究海洋立管模态参数(固有频率及振型)随结构参数(立管长度及弯曲刚度)、轴向张力(恒张力及变张力)、弹性约束刚度(扭转刚度及线性刚度)和附加质量系数的变化规律,将海洋立管简化为轴向张紧的细长梁力学模型,利用微分变换法对其自由振动控制方程进行数值求解。研究结果表明:微分变换法具有收敛速度快和精确度高等优点;海洋立管固有频率随立管长度增加而降低,随立管弯曲刚度和上、下两端约束弹簧刚度的增加而增大,随海水附加质量系数增大而减小。运用微分变换法可很好地分析海洋立管模态参数随各影响因素的变化趋势,这为海洋立管的涡激振动分析及设计提供了重要参考。     

海洋柔性立管疲劳寿命分析与研究

本文介绍了海洋柔性管结构特点以及柔性立管基本布置与环空测试;对柔性立管基本参数、基础数据进行了详细的分析;对立管局部进行建模,提出了柔性立管疲劳寿命分析研究的方法,并对其疲劳寿命进行计算,给出了疲劳寿命分析结果和运维建议。     

尾流干涉下立管涡激振动试验研究

为探究立管在不同排列方式下的响应特性随来流速度的变化关系,对比分析了不同工况下流动干涉效应,采用模型试验的方法对刚性立管模型和柔性立管模型的涡激振动问题进行了系统研究。选取不同材质的立管模型模拟实际工程中的柔性立管与刚性立管,采用不同测试原理的采集仪器获取立管模型的振动响应信息,确保试验数据的准确性。研究结果表明：刚性孤立立管在“锁定”区间内横流向振动幅值变大,横流向振动幅值沿管长方向呈现出两端小、中间大的分布特征,在约化速度为12时可观察到2阶振型;在双刚性立管试验中,来流角度对下游刚性立管具有显著的干涉作用,当来流角度α=0°时,下游立管模型的“锁定”区间相比孤立立管存在滞后现象,随着来流角度的不断增大,下游立管所受流动干涉作用逐步减弱;柔性顶张力立管的振动特性与刚性立管相似,悬链线立管由于其构型独特,导致在来流作用下多阶振动模态共存,不同位置处的振动特性差别较大;在柔性串联立管尾流干涉试验中,上游顶张力立管与下游悬链线立管不同位置处水平间距不同,致使下游悬链线立管受上游立管的干涉效应影响存在差异。所得结果可为进一步研究立管的涡激振动提供参考。     

深水立管干涉分析研究

随着立管长度的增加,海洋立管间的干涉风险也在增大,在深水油气田开发的早期就应关注立管干涉问题。立管干涉包含了复杂的物理现象,其中水动力相互作用对于众多立管系统的干涉分析来说不可忽略。该文主要根据DNV—RP—F203规范介绍了基于水动力相互作用的深水立管干涉分析方法,给出了深水立管干涉分析的设计流程,探讨了立管干涉的可接受标准,为深水立管设计分析提供借鉴。     

柔性立管第二端垂直铺设设计与应用

以中国南海流花某油田FPSO的柔性立管第二端铺设工程应用为例，描述利用垂直铺设系统铺设柔性立管第二端的工艺流程。重点介绍柔性立管第二端通过垂直铺设系统导向轮和传递至FPSO的施工步骤，建立柔性立管第二端数值模型，分析其通过垂直铺设系统时的受力情况；同时，研究了工程应用中绞车钢丝绳存在的干涉问题和解决方案。研究成果解决了柔性立管较长第二端垂直铺设问题，并在工程实践中成功应用，可为类似的柔性立管铺设项目提供一定的参考。     

连续油管在海洋垂直立管中作业的轴向力传递

由于刚度较低,连续油管在进行海洋垂直式立管清管作业时可能会发生屈曲,从而导致其顶部提供的轴向载荷将不能全部传递到底部,影响正常作业。通过数值模拟,研究了连续油管在海洋垂直式立管中作业时的轴向力传递特性。研究结果表明:当立管长度一定时,连续油管轴向载荷传递效率将会随着连续油管与立管之间的环空间隙的增大而减小;当连续油管与立管之间的环空间隙一定时,连续油管轴向载荷传递效率将会随着立管长度的增大而减小。该研究成果将会对连续油管进行海洋垂直式立管清管作业提供重要理论依据。     

深水柔性立管整体性能分析

海洋软管在海洋油气资源开发中起到关键的作用。由于其耐腐蚀性强、地形适应性好、连续长度长、安装方便等优点,逐渐取代了传统的海洋钢管。国际上已在深水油气田开发中大量使用柔性立管来连接浮式结构与海底生产系统,但在国内还没有深水柔性立管的设计和生产技术。主要针对柔性立管在位工况下的整体性能如何分析来进行系统介绍。将立管参数、环境参数、与立管相连的浮式生产储卸油装置(FPSO)参数、立管造型等作为整体分析的输入条件,利用分析软件,进行静态分析、动态分析、规则波分析和不规则波分析。根据分析结果即可判断柔性立管是否符合应用要求。     

非黏结柔性立管内部骨架层失效研究进展

非黏结柔性立管是水下生产系统的重要组成部分,骨架层作为非黏结柔性立管最内层的运输通道,一旦失效将对整个立管结构产生破坏,给海洋油气生产系统带来巨大的经济损失。骨架层主要失效方式分为径向压溃失效与轴向撕裂失效2种。分析了骨架层径向压溃失效与轴向撕裂失效的机理,基于理论模型,对骨架层失效的国内外研究现状进行归纳总结,并提出以下建议:建立骨架层轴向失效理论模型及完整立管模型;在多载荷作用下对骨架层进行研究分析,完善并简化其等效模型;对不同立管结构进行更多的失效试验。     

波流作用下的张力腿平台顶张紧式立管干涉分析

顶张紧式立管(TTR)是张力腿平台(TLP)的关键部分之一。TTR之间干涉的风险随着水深的增加而增加,因而立管之间的干涉评估也就变得越来越重要。如果因干涉引起的碰撞力或参与碰撞的能量足够大,则有可能会在立管的某区域产生损伤,降低立管的使用寿命,甚至危及平台的安全。针对某油田开发方案设计工作,对井槽间距的设置以及立管干涉分析进行研究,并对影响立管干涉性能的主要因素开展敏感性分析,为立管的研究及设计提供参考。     

纤维增强复合材料柔性管强度校核及截面设计

在海洋油气勘探中,海洋立管和海底管道采用复合材料柔性管可以弥补钢管使用中存在的耐腐蚀性差、质量大以及安装成本高等诸多不足.但在对柔性管进行安装分析前,需要明确柔性管的类型和规格,并根据安装作业和在位使用的要求对柔性管进行截面设计.为此,根据设计载荷的要求,利用ABAQUS软件建立了纤维增强复合材料柔性管的有限元模型,根...     

垂直海洋立管中连续油管载荷传递影响因素分析

由于连续油管刚度较小,在海洋复杂环境条件下,导致在下入立管过程中易引起各种事故。因此,需要对这种特殊边界条件下的连续油管力学传递特性进行研究。通过建立连续油管下入海洋立管时的有限元模型,模拟分析了浮动边界下连续油管注入过程中影响载荷传递的因素。分析结果表明:相同工况下,立管刚度越大,内管的轴向力传递效率越高;内外管管径比越小,内管的轴向力传递效率越高。     

海洋深水立管的疲劳断裂与可靠性评估研究进展

针对海洋深水刚性立管、钢质悬链式立管和柔性立管的疲劳、断裂及可靠性问题,评述了近10年国内外在这方面研究的成果.给出了一些用于深水立管疲劳寿命预测及可靠性评估的实用理论和计算方法,特别是对基于断裂力学和可靠性检测技术而发展起来的缺陷损伤容限、带内部缺陷和表面裂纹的疲劳强度等问题给予了足够的关注.文章最后对导致深水立管疲劳断裂的涡激振动及其抑制方法进行了讨论,并结合我国海洋石油的发展提出了若干建议.     

TLP平台串行立管系统干涉影响因素分析

TLP平台串行立管系统受力复杂,容易发生干涉,立管干涉的影响因素主要包括立管间距、平台偏移、顶张力、波浪和海流等,确定各因素对立管干涉的影响规律可为TLP平台立管系统设计和作业安全提供支持。为此,建立TLP平台串行立管微分方程,采用ABAQUS软件建立P2P、P2D和D2P(P代表生产立管,D代表钻井立管)串行立管系统有限元模型,制订了评定立管干涉的标准和立管干涉分析流程,分析各因素对串行立管干涉的影响。分析结果表明,立管间距和海流对立管干涉影响较大,立管间距增大发生干涉的可能性变小;串行立管系统主要在50~100 m水深范围内发生干涉,防止立管发生干涉的最小间距不小于4 m;TLP平台偏移对立管的干涉影响很小,顶张力对D2P工况串行立管干涉影响较大,对P2P和P2D工况影响不大,波浪相位角为180°时对串行立管的间隙影响最大,在100 a一遇的海流条件下,建议停止钻井作业。研究成果可为南海TLP平台立管系统设计和作业安全提供技术支持。     

张力腿平台丛式立管安装作业窗口分析

在对立管安装模型进行理论研究的基础上,考虑丛式立管之间的干涉作用,提出导向架-导向绳作用模拟方法,建立了TLP丛式立管-导向架-导向绳耦合分析模型,形成了一种以平台偏移值、表面海流流速组合参数形式确定TLP立管安装作业窗口的分析方法及流程,并以我国南海某深水油井为例开展了TLP立管安装作业窗口研究及参数敏感性分析,结果表明,TLP立管安装至海底井口但尚未对接成功工况下安装作业窗口最小,此时作业窗口在低流速区主要受立管回接连接器与竖直方向夹角限制,在高流速区主要受立管之间干涉的限制;随着波浪的增加,立管安装作业窗口逐渐变小;适当增加导向架数量并合理布置有助于增大TLP立管安装作业窗口;立管间距的减小会加剧丛式立管之间的干涉,从而使得TLP立管安装作业窗口变小。本文相关方法和研究成果可为TLP丛式立管安装作业提供理论依据。     

深海垂直管中管载荷传递模拟分析

连续油管技术以其独有的特性被广泛应用在海洋油气工程的各个领域。由于连续油管刚度较小,且海洋环境复杂,在下入海洋立管过程中容易引起海洋油气管道的事故。因此需要对连续油管在海洋立管中的力学传递特性进行研究,以保障作业的安全性和可靠性。通过Abaqus软件建立连续油管下入海洋垂直立管的有限元模型,分别进行了海洋立管在固定边界和浮动边界下连续油管注入过程的模拟。分析结果表明:在同等条件下,海洋立管在固定条件下,连续油管的轴向载荷大于同等位置时海洋立管在浮动条件下的连续油管轴向载荷;当注入力超过2倍螺旋屈曲临界载荷时,海洋立管在固定边界条件下,连续油管轴向载荷传递效率高于海洋立管在浮动边界条件下连续油管轴向载荷的传递效率。     

混合立管系统严重段塞流流动特性的实验研究

深海油气田开采过程中混合立管系统会出现严重段塞流,造成系统流动特性参数周期性剧烈波动,严重危害海洋开发系统。在混合立管系统的模拟装置上,实验研究了混合立管系统严重段塞流的流动特性。研究结果表明：混合立管严重段塞流的1个周期分为液塞形成、液塞生产、液气喷发和液体回流4个阶段,立管的垂直管段与U形柔性管段的流动特性稍有不同,U形柔性管段在液气喷发阶段产生剧烈抖动;严重段塞流周期随气液相折算速度的增大而减小;立管压力波动幅度随气相折算速度的增大先增大后减小;液塞长度随气相折算速度的增加而减小,且下倾管增加缓冲容积时液塞长度明显增大,减小出油管长度有利于抑制严重段塞流;在深水混合立管系统结构尺寸变化范围内,垂直管高度和U形柔性管尺寸对严重段塞流的发生范围及特性影响不大。该研究结果将为混合立管的设计提供一定的参考依据。     

柔性管节点对海洋导管架固定平台非线性分析的影响

引入MSL非线性柔性管节点模型,研究了柔性管节点对导管架固定平台非线性分析的影响。首先对单一管节点进行静力加载的非线性分析,研究管节点柔性特征对自身非线性静力分析的直接影响;然后对二维框架结构系统进行静态非线性倒塌分析,研究柔性管节点对结构系统静力非线性分析的影响;最后对某实际三维导管架平台模型进行模态分析及非线性地震时程分析,以研究柔性管节点对平台整体结构系统动态分析的影响。研究表明,考虑柔性管节点进行海洋导管架固定平台非线性分析时,固定平台的局部和整体刚度均得到了显著的降低,进而影响了非线性强度分析结果及平台设计的经济性,因此建议使用MSL公式。