深海钢悬链线立管波浪响应分析方法技术

本发明专利技术属于深海油气平台的钢悬链线立管研究技术，具体涉及一种深海钢悬链线立管波浪响应分析方法。该方法采用弹性地基梁模型模拟钢悬链线立管的流线段；并将钢悬链线立管的悬垂段和流线段的模拟模型与浮式平台的运动方程相结合，形成钢悬链线立管与浮式平台的整体运动分析模型，通过求解整体运动分析模型方程得到钢悬链线立管的波浪响应；同时，根据海床土吸力对钢悬链线立管动力响应的影响，建立了海床土的吸力模型，将之应用于钢悬链线立管的波浪响应分析。本发明专利技术能够提高钢悬链线立管的计算精度，使钢悬链线立管的分析更加符合工程实际情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于深海油气平台的钢悬链线立管研究技术，具体涉及一种深海钢悬链线立管波浪响应分析方法。
技术介绍
钢悬链线立管是深海油气开发的新型立管系统，1996年首条钢悬链线立管正式应 用于深海油气资源开发，它在技术上和经济上比传统的柔性立管和顶张力立管系统有了长 足的进步，成为深海油气资源开发的首选立管系统。 与柔性立管相比，钢悬链线立管的成本低；与顶张式立管相比，它无需顶张力和浮体垂荡运动的补偿，被认为是深海油气资源开发的一个有效降低成本的立管解决方案。钢悬链线立管已经成功应用于单柱平台、张力腿平台、半潜式平台、浮式生产系统和浮式生产储运系统，同时也被认为是固定式平台的经济型立管。它集海底管线和立管为一身，无需海底的应力接头或柔性接头连接，大大降低了水下施工的工程量和施工难度。同时，其顶部自由悬挂在平台外侧，无需液压气动张紧装置和跨接软管，节省了较大的平台空间，而且对浮体的漂移有较大的容度，更适合于高温高压介质环境，得到了深海开发的青睐。 钢悬链线立管的一端与浮式平台连接并自由悬垂至海底，形成悬链线的形状。钢悬链线立管与海底接触的第一点称为触地点，从平台到触地点的一段称为悬垂段。钢悬链线立管的另一端与井口 (生产立管)或海底终端(输运立管)连接，从触地点至井口或海底终端的一段管线称为流线段。 钢悬链线立管与锚链和柔性立管具有相似的悬链线形状，但是它的弯曲刚度远远 大于柔性立管，而锚链不具有弯曲刚度，因此，不能采用锚链或柔性立管的分析方法。目前， 钢悬链线立管的分析方法主要包括以下几种 1、集中质量模型 集中质量模型是将管线的质量简化地集中于若干点上，这些点之间的管线被简化 为无质量的弹簧来模拟管线的拉压、弯曲和扭转刚度，而实际上管线的质量是连续分布的。 因此，集中质量模型是一个近似程度较低的模拟方法。 2、直梁模型 直梁模型就是船舶结构力学中的复杂弯曲梁模型，该模型假定梁的轴线是直线， 且符合小变形假设，即梁弯曲后的曲率非常小，仍作为直梁来分析。而钢悬链线立管的悬垂 段，特别是触地点附近，管线的弯曲变形非常大，作为直梁来分析，而不考虑梁轴线曲率的 影响，其误差是不言而喻的。 3、浮式平台与钢悬链线立管的耦合分析 钢悬链线立管的顶端是与浮式平台连接的，因此，浮式平台的运动对钢悬链线立 管的运动有直接的影响。目前的分析方法是将浮式平台和立管作为两个分析对象，将浮式 平台分析得到的位移响应作为钢悬链线立管顶端的边界条件输入来分析钢悬链线立管的 波浪响应。由于有限元计算时，同一个边界只能有一种边界条件，因此，浮式平台的惯性力对钢悬链线立管的影响被忽略了 。 4、海床土的约束模型 钢悬链线立管在波浪作用和浮式平台运动的影响下将产生运动，这个运动将使钢 悬链线立管的流线段产生竖直方向的往复运动，从而与海床发生相互作用。这个相互作用 将使海床土液化并形成管沟，当管沟深度达到1. 5倍的管径时，管沟将趋于稳定，深度不再 发展。此时，管沟内将始终有液化的土存在。因此，海床土对流线段的运动将起到一定的阻 碍作用。这个阻碍作用不仅仅体现在管线向下运动时，海床土的支撑反力作用，还体现在， 当管线向上运动时，由于附着力引起的吸力作用。目前的分析方法，仅仅考虑管线向下运动 时，海床土的支撑反力作用，用弹簧来模拟海床土的支撑反力，而不考虑管线向上运动时海 床土的吸力作用。 5、钢悬链线立管与海底的相互作用模型 钢悬链线立管的流线段是自由铺设在海床上的，因此，管线与海床土的接触是连 续的，即海床土对管线的约束反力(包括支撑反力和吸力)也是连续分布的。目前的分析 方法均采用在节点处(集中质量模型则只能作用的集中质量上)设置弹簧支撑来模拟连续 分布的海床土约束反力，因此，是一种简化分析方法，其结果不够精确。 由此可见，现有的钢悬链线立管的分析方法没有考虑钢悬链线立管的大挠度对 立管刚度的影响，没有考虑浮式平台与钢悬链线立管之间的动力耦合作用，没有考虑海床 土吸力对钢悬链线立管流线段的约束作用，将连续分布的海床土约束力简化为集中约束反 力，将连续的分布质量系统简化为集中质量系统。因此，所得到的分析结果精度不够高，与 工程的实际情况存在着一定的差距。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种深海钢悬链线立管波浪响应分 析方法，从而提高钢悬链线立管的计算精度，使钢悬链线立管的分析更加符合工程实际情 况。 本专利技术的技术方案如下一种，该方法采用 弹性地基梁模型模拟钢悬链线立管的流线段；并将钢悬链线立管的悬垂段和流线段的模拟 模型与浮式平台的运动方程相结合，形成钢悬链线立管与浮式平台的整体运动分析模型， 通过求解整体运动分析模型方程得到钢悬链线立管的波浪响应。 进一步，如上所述的，该方法根据海床土吸 力对钢悬链线立管动力响应的影响，建立了海床土的吸力模型，将之应用于钢悬链线立管 的波浪响应分析。 具体来说，该方法采用弹性地基梁模型模拟钢悬链线立管的流线段的模型公式 为pp + (5r〃)"—(义r)' +Ar_q = 0 其中，p为钢悬链线立管单位长度的质量，包括管中的流体质量； B为钢悬链线立管的截面抗弯刚度； f为钢悬链线立管的加速度矢量； r为钢悬链线立管的坐标矢量； q为钢悬链线立管的分布外荷载，包括波浪和海流； k为海床土的刚度； A为拉格朗日乘子；'和〃 分别表示对坐标的一阶和二阶导数。 将钢悬链线立管的悬垂段和流线段的模拟模型与浮式平台的运动方程相结合，形成钢悬链线立管与浮式平台的整体运动分析模型的具体方法如下 钢悬链立管的悬垂段运动方程为<formula>formula see original document page 6</formula> 钢悬链立管的流线段运动方程为<formula>formula see original document page 6</formula> 其中，p为钢悬链线立管单位长度的质量，包括管中的流体质量； B为钢悬链线立管的截面抗弯刚度； F为钢悬链线立管的加速度矢量； r为钢悬链线立管的坐标矢量； q为钢悬链线立管的分布外荷载，包括波浪和海流； k为海床土的刚度； A为拉格朗日乘子；'和〃 分别表示对坐标的一阶和二阶导数。 浮式平台的运动方程为<formula>formula see original document page 6</formula> 其中，m为浮式平台的质量； ^为浮式平台的质量m加附加质量ma ; fOW)为钢悬链线立管的加速度矢量； g为重力加速度； ey为游动坐标y轴的单位矢量； 戶O)为作用在浮式平台上的水动力和浮力； s。为钢悬链线立管曲线坐标原点，即浮式平台位于钢悬链线立管曲线坐标的原点； t为时间。 采用S函数将浮式平台的运动方程引入钢悬链线立管的流线段运动方程，从而形成钢悬链线立管与浮式平台的整体运动方程<formula>formula see original document page 6</formula> 上式可用于整个钢悬链线立管，对于悬垂段，只要令k = 0即可， 采用有限元方法将上述两个整体运动方程离散后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海钢悬链线立管波浪响应分析方法，其特征在于：该方法采用弹性地基梁模型模拟钢悬链线立管的流线段；并将钢悬链线立管的悬垂段和流线段的模拟模型与浮式平台的运动方程相结合，形成钢悬链线立管与浮式平台的整体运动分析模型，通过求解整体运动分析模型方程得到钢悬链线立管的波浪响应。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄维平，白兴兰，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]