深水顶张式立管参数振动与涡激振动耦合振动分析方法研究

考虑浮式平台垂荡引起的顶张式立管参数振动对横向振动的影响及立管与流体的流固耦合作用,开展了深水顶张式立管参数振动与涡激振动耦合振动分析方法研究,提出了深水顶张式立管参数振动与涡激振动耦合的振动模型。利用耦合振动模型对1 500 m水深的顶张式立管进行了算例分析,结果表明:由平台垂荡引起的立管参数振动加剧了立管横向振动的幅值,并且在同一海流速度下沿不同轴向位置处立管的参数振动对立管横向振动幅值的影响不尽相同,立管的参数振动对顺流向振动幅值的影响大于对横流向振动幅值的影响。     

速度梯度对立管涡激振动疲劳损伤影响分析

将钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)简化为索模型,首先对立管进行了模态分析,并通过模态叠加法计算了涡激振动响应。然后基于瑞利分布,对立管进行了疲劳损伤分析,得到了立管的年疲劳损伤率。以1 500 m水深Spar平台相连接的钢悬链式立管为例,通过改变剪切流的来流梯度来研究其对疲劳损伤产生的影响。计算结果表明,立管最大疲劳损伤通常出现在边界区域,并且随着来流速度梯度的减小,立管的能量激励区域增大,疲劳损伤也随之变大。     

海洋立管涡激振动与疲劳寿命影响因素分析

大尺寸的立管涡激振动三维数值模拟的代价大,计算效率低,为此,采用一种基于弹簧-质量模型的等效二维模型,通过二维数值模拟求解三维问题中管道的振幅和频率,进而对立管疲劳寿命的影响因素进行分析。二维模型中,应用弹簧-质量模型,利用胡克定律和简支梁的挠度方程对弹性系数进行推导;数值模拟中,利用ANSYS软件对流体与结构进行耦合求解,对不同海流流速、管长、壁厚条件下的立管中点的振幅和频率进行计算;基于Miner疲劳损伤累积理论和S-N曲线对立管疲劳寿命进行计算,对疲劳寿命的影响因素进行分析。分析结果表明,在2.5×10~4≤Re≤2.5×10~5范围内,随着海洋流速的增加,立管振幅和频率增大,疲劳寿命缩短;随着立管长度的增加,振幅增大,疲劳寿命缩短;随着管道壁厚增加,立管振幅减小,疲劳寿命延长。研究结果可为立管的疲劳寿命预测与抑振设计提供指导。     

深水立管涡激振动抑制装置的研制

深水立管在海流作用下易产生涡激振动而加速立管的疲劳破坏。研制了涡激振动抑制装置———螺旋列板,通过室内试验确定了螺旋列板的主要结构参数(螺距17.5 D、螺高0.25 D、螺头数3),海上实尺寸试验验证所研制的螺旋列板抑制效率达到80%以上。     

基于管土耦合的海底管跨涡激疲劳分析程序

由于海流冲刷,海底管线在服役期间会在某些管段形成管跨,管跨的涡激振动是引发海底管线疲劳失效的主要因素之一。基于Visual Basic环境开发海底管跨涡激疲劳分析程序,利用所封装的ANSYS软件建立管土耦合非线性管跨有限元模型,依据Miner线性累积损伤理论,采用S-N曲线法计算管跨在海流作用下的疲劳损伤,并与SHEAR7软件的计算结果进行对比验证,开发的疲劳分析程序具有较高的精度和工程应用价值。     

涡激振动抑制装置海上试验研究

采用涡激振动抑制装置是降低深水立管涡激振动响应,保证立管安全运行的有效措施之一。根据涡激振动抑制装置特点和深水海洋环境条件,提出了深水立管涡激振动抑制装置海上试验方案、样管尺寸、试验船舶机具及布置,并通过数值分析确定了拖曳速度、悬挂重物重量、拖曳钢缆等试验参数,对立管长度、外径及壁厚进行了校核。深水立管涡激振动抑制装置海上试验在我国东海海域已顺利实施,取得了满意的试验结果,抑制装置的抑制效率最高达到了89.1%。     

海底管道系统管跨涡激振动疲劳可靠度综合评估方法

考虑海底管道悬空的动态变化情况,并从系统的角度对管跨疲劳风险评估方法进行了研究.选取主要影响因素,运用模糊数学方法确定管跨发生概率,进而提出了一种海底管道系统管跨涡激振动疲劳可靠度的评估方法.该方法综合考虑了各管段管跨发生概率、管跨发生在同一地点的概率、管道最大疲劳损伤发生在同一部位的概率、管跨长度以及定长管跨涡激振动疲劳失效概率等因素.与传统评估方法相比,本文方法评估结果更接近工程实际.     

立管涡激振动的离散涡数值模拟

通过离散涡方法求解立管所受涡激升力,并与立管动力响应方程相耦合来对涡激振动问题进行时域内的数值模拟。通过在均匀来流和剪切来流下的模拟,所得的结论与其他文献中的结论比较吻合,较好地揭示了立管涡激振动的特征。     

深海立管涡激振动被动抑制措施的研究

总结了被动控制型抑制措施的研究成果以及各自的优缺点,介绍了目前研究与应用比较广泛的螺旋条纹、控制杆和整流罩抑制措施,并给出了深海立管涡激振动抑制措施的发展趋势和今后的研究重点。     

超深水钻井隔水管-井口系统涡激振动疲劳分析

超深水钻井作业经常发生隔水管涡激疲劳问题,而由隔水管涡激振动(VIV)引起的井口系统疲劳可能更为严重。根据超深水隔水管-井口系统VIV疲劳分析算法与计算流程,建立隔水管-井口系统整体有限元模型,通过模态分析提取各阶模态下所有节点的振型、斜率和曲率,应用SHEAR7程序进行详细疲劳分析,识别系统关键疲劳部位,评估系统的VIV疲劳寿命,并研究顶张力、防喷器(BOP)、导管结构尺寸及井口出泥高度对井口系统VIV疲劳特性的影响规律。针对南海某超深水井的隔水管-井口系统进行实例分析,结果表明,超深水隔水管 井口系统容易发生多阶模态振动,系统最大疲劳损伤位于导管上,系统疲劳寿命满足作业要求,适当提高顶张力、采用小型化的BOP、增大导管抗弯刚度以及降低井口出泥高度均可有效改善井口系统的VIV疲劳性能。     

海底电缆在涡激振动下的疲劳寿命

针对悬空段海底电缆结构失稳、疲劳失效和使用寿命缩短等问题,基于洋流作用下海底电缆涡激振动机理,结合海底电缆结构特性,采用流体力学法建立适用于海底电缆的振动仿真模型,基于仿真模型研究洋流流速、电缆机械特性（截面、质量、自阻尼特性等）、悬空断长度等对海底电缆振动和疲劳损伤的影响,结合应变性疲劳曲线和雨流计数法,计算海底电缆的疲劳损伤,根据线性损伤累积理论得到海底电缆的疲劳寿命,分析海底电缆疲劳寿命的影响因素。结果表明,增大海底电缆的弹性模量和阻尼比、缩短电缆悬空段长度可有效延长海底电缆的疲劳寿命。     

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration（VIV）疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。     

平台涡激运动造成的立管疲劳损伤研究

针对Spar平台的运动特性,结合立管的结构参数,利用有限元分析软件对平台运动所产生的立管的应力幅进行了计算;并利用S-N曲线、Palmgren-Miner累积损伤准则以及应力集中系数,对平台运动所引起的立管疲劳损伤进行了分析。     

基于管土耦合模型的海底管道管跨涡激振动分析

对于海底管跨涡激振动的研究,传统计算模型是将管跨两端作固支或简支处理。考虑管跨入土段与土壤之间的非线性作用力,采用ANSYS有限元分析软件建立起管土耦合非线性有限元模型,弥补了传统计算模型的缺点。通过对不同土壤和流速条件下管跨涡激振动的研究,与传统计算模型相比,提出的管土耦合模型具有更好的计算精度,计算结果可为海底管线疲劳寿命的进一步分析提供支持。     

柔性立管涡激振动实验的数据分析

在对光纤光栅应变计（FBG）测量得到的柔性立管室内模型实验数据进行分析中,通过信号滤波、模态分解、频谱分析以及位移计算等得到立管涡激振动的共振模态、振动频率和位移变形等参数的变化规律。分析结果表明所采用的数据分析方法能够很好地分析出柔性立管涡激振动的基本特性,这对今后深入开展深海立管涡激振动问题的实验研究和现场原位测试提供了有益的借鉴。     

海底管线管跨段涡激振动下模糊可靠性评估

针对海底管线管跨的振动特性,与来自于海水运动的水动力载荷均具有模糊性的特点,应用模糊数学理论、系统分析理论和可靠性理论,对管跨段在涡激振动下的模糊可靠性评估方法进行了分析和研究。建立了其模糊可靠性的计算方法和评估模型。     

剪切流中立管的涡激振动响应预报

针对钢悬链式深海立管的特点,采用简化后的振动模型,结合圆柱体的受迫振荡实验数据,建立了深海立管在剪切流来流中的涡激振动响应分析模型。被激起的各阶模态的响应位移可通过平衡立管升力的输入能量和阻尼的耗散能量计算得到。计算结果与涡激振动专用分析软件计算结果进行了对比,吻合良好。     

海洋立管涡激振动计算方法进展

针对海洋立管的涡激振动的计算问题,评述了近年来国内外研究进展,并对未来的发展趋势进行展望.     

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。