复杂载荷下深水顶张式立管屈曲失效风险分析

研究了深水顶张式立管在极端环境载荷、第三方破坏载荷以及材料腐蚀等多种复杂载荷条件下立管的结构屈曲失效风险,并考虑海洋立管风险分析中不加以区分的立管类型与失效形式,采用新的非基于事故统计的方法探究其规律,进行风险辨识.为了研究深水顶张式立管的屈曲失效风险,通过复杂载荷条件下结构致灾机理的辨识建立多立管状态下的故障树模型,采用海洋工程领域中应用较为成熟的专家综合评估法及模糊故障树法进行风险分析,最终从概率及后果两个维度给出屈曲失效薄弱环节.通过实例分析、计算,验证本文提出方法的适用性和可靠性,并得出对深海资源开发有参考价值的结论.     

多参数耦合作用下海洋立管动力响应实验

为探究多参数耦合作用下的海洋立管动力响应,设计并开展了海洋立管动力响应模型实验。模型实验的主要研究参数分为立管设计参数与流场参数。立管参数：弹性模量,边界条件、顶张力,流场参数：流速和波浪参数（波高及周期）。综合考虑五种参数进行实验室的海洋立管模型实验,模型材料选取了铝（Al）和有机玻璃（PMMA）,分别定性的对应金属立管及纤维复合材料增强海洋立管;边界条件采用两端铰接（S-S）和铰接-固接（S-F）;顶张力选取 10N和30N;外流速采用 0.3m/s和0.7m/s;波浪考虑波浪的大小分别选择周期为1.0s波高为5cm的小波浪和周期为2.0s波高为15cm的大波浪。实验研究了立管模型在 32种不同工况参数搭配下的动力响应情况,通过对实验数据分析,得出了多参数耦合作用下各参数对海洋立管的影响效果。结果表明：立管振幅与弹性模量、约束数量以及顶张力的大小成反比,与流速及波浪大小正相关,特别是在垂直来流方向,直接影响立管是否发生明显的涡激振动。     

二层流体中透空大直径桩柱的波浪特性分析

 采用典型的海工结构物——大直径垂直圆柱研究层化海洋中波浪对透空结构物的绕射作用。通过分析二层海洋条件下边值的匹配问题,利用特征函数法提出内、外流场流体绕射势解析解,并在二层海况下计算透空圆柱所受水平波浪力及柱内、外的自由波面波浪爬高。计算结果分别与均匀海中透空桩柱和二层海中非透空桩柱的相应结果加以比较,分析得出在层化海洋中结构物的透空性对减弱波浪力和波浪爬高有很大影响。     

灾害性海洋环境下深水立管结构可靠性研究

针对南海深水海域可能出现的灾害性海况条件,基于先进的深海浮式平台系统时域耦合分析和立管结构有限元动力响应计算的结果,采用广义极值理论,通过对非线性随机动力响应结果的数值拟合,研究了灾害环境下载荷概率模型的构建方法.基于结构可靠性技术,分析了立管构件的屈服极限状态,并进行了立管系统失效概率的求解及随机变量敏感性分析.结果表明,所提出的方法能充分考虑了深海平台系统的耦合效应,可以为灾害性海况下深水立管的可靠性评估提供有益的参考.     

计入船体变形影响的轴系动态校中研究

船体变形是影响船舶推进轴系校中质量的一个非常重要的动态因素.在研究船舶装载、波浪荷载及环境温度作用下船体变形计算方法的基础上,提出了一种轴承变位的计算方法,用以进行轴系动态校中研究.以76 000 t成品油轮为例,计算了极限装载状态下的重力分布和常遇较大海况时的波浪荷载,并分析了环境温度荷载分布.通过对整船有限元模型合...     

液压吊力缓冲系统在“世越号”打捞工程中的作用评估

为降低起吊钢丝绳内峰值拉力,实现复杂海况下利用双驳船抬吊打捞"世越号",设计液压吊力缓冲系统,并评估其应用于双驳船打捞工程中的作用.以三个船体(双驳船、"世越号")为研究对象,分别用模拟计算及模型试验方法研究其在不同提升高度及不同海况下的耦合运动特性.模拟计算采用边界元法,计算出多体水动力特性参数,并建立整体耦合响应计算模型.利用模型试验结果对水动力特性参数进行矫正,获得非常准确的整体耦合响应计算模型.基于该模型进行静态和动态时域的计算,并对比有、无液压吊力缓冲系统两种情况下的结果.比较结果表明:模拟计算结果与水池模型试验结果吻合度较高,该数值模型具有较高可靠性;液压吊力缓冲系统可使静态吊力分布更均匀,降低最大动态吊力,可达到在"世越号"打捞工程中的设计作用.     

基于流固耦合作用的纤维增强复合材料海洋立管 涡激振动的三维计算流体动力学模拟

对正交式纤维增强复合材料海洋立管、优化后的纤维增强复合材料海洋立管和金属海洋立管进行基于流固耦合作用的三维计算流体动力学涡激振动模拟,探索不同材料的海洋立管的涡激振动特征;通过等效弹性模量法及层状结构法分别构建3种整体模型,通过System coupling模块与Fluent软件模拟所得的流场结果进行交互,以实现二者之间的耦合作用,并对比不同建模方式及不同种类立管在涡激振动作用下立管位移和应力响应的影响。结果表明:不同建模方式所得的涡激振动特征相近;结构的构造不同使得优化后的纤维增强复合材料海洋立管的位移及应力响应均大于正交式纤维复合材料海洋立管的;在涡激振动作用下,纤维增强复合材料海洋立管的振动幅值大于金属海洋立管的,其应力幅值小于金属海洋立管的,并且二者的变形与应力分布特征也显著不同,与不同种类海洋立管的几何构造尺寸、弹性模量、顶张力、支撑条件等有关。     

Euler-Bernoulli海洋立管涡致强迫振动响应研究

针对海洋立管(Pipe-in-pipe,PIP)系统在海水作用下发生的振动问题,开展了对PIP系统在涡致强迫振动下的动力学响应研究,分析了在涡致强迫振动下海洋立管外管直径、轴向拉力、外激力频率对海洋立管位移响应的影响规律。基于Euler-Bernoulli双梁模型,采用Lamb-Oseen涡模型,建立了动力学模型,利用格林函数法求得该强迫振动的稳态响应。结果表明,随着管道直径增加,外激力增加,产生最大力幅值的位置离管道越远;轴向拉力对外部管道的影响较大,对内部管道的影响较小;无因次频率取0.4时,外部管道位移超出允许变形极限,内外管壁发生周期碰撞,易对海洋立管造成损伤。     

作用于透空复合圆柱的波浪渗流力的解析计算

基于Biot渗流固结理论和水波绕射理论,应用特征函数展开法,推导了对应透空复合圆柱的绕射波势和波浪引起的海床内渗流压力分布的解析解式,由此计算了作用于固立透空复合圆柱底部上由波浪渗流压力所导致的浮托力和倾覆力矩,并与水平和垂直绕射波浪力和力矩进行了相应比较。计算结果表明,复合柱上部圆柱侧表面的透空性对水平方向的波浪直接作用有明显的减弱效应,对波浪渗流倾覆力矩也有一定的减弱效应,而对垂直方向的波浪直接作用及波浪渗流浮托力影响较小。海况条件和复合圆柱几何条件等因素的相对变化对波浪渗流作用均存在一定的影响,其中对渗流倾覆力矩的影响更为明显。在一定条件下,波浪渗流作用与绕射波浪作用可以具有相同的量级。     

基于Longuet-Higgins分布的深水立管疲劳分析

利用Longuet-Higgins分布将表征长期海况的波浪散布图分解为单个规则波的散布图,以此进行深水立管的疲劳分析,并与雨流法的计算结果进行了比较.结果表明：波浪散布图的离散应充分考虑系统响应的影响;若将波浪散布图离散得较为理想,则采用该方法计算得到的疲劳寿命将和雨流法的结果非常接近,且离散的越精细,其结果也和雨流法的越接近.该方法计算速度快、占用硬盘空间少,可用于实际工程中深水立管的疲劳分析.     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合振动分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了单、双向流固耦合振动分析,并将单、双向流固耦合进行了对比分析,同时考虑了立管支承方式、流体边界条件对立管振动的影响,最后提出了立管减振措施。结果表明:立管变形最大处发生在立管中间处,最大应力发生在立管的入口和出口处附件的上下部;双向耦合作用下立管最大等效应力和最大变形量均小于单向耦合;随着立管约束数量的增加,立管的变形量和等效应力变小;随气相速度增大时,立管位移减小,相反,随液相流速的增加,立管位移增大,随截面含气率的减小,立管位移增大。分析结果对海洋立管的优化设计和运行的可靠性提供了重要的理论意义。     

深水钻井隔水管系统配置及动力学特性分析

针对钻井隔水管钻井隔水管问题，总结了海洋隔水管基本配置特征，使用变分原理推导了隔水管动力学数学方程，确定了考虑上下端旋转刚度的边界条件，建立了波浪载荷影响下的隔水管动力响应分析模型，利用埃尔米特三次差值函数对其进行离散，分析了不同工况对隔水管变形特性的影响。结果表明，顶张力越大，隔水管的位移越小；海流类型对隔水管的变形特征具有明显影响；海流的表面流速对隔水管的变形影响十分显著，表面流速增加时，隔水管位移大大增加；常规海况下，风速较低，风速对隔水管动力响应的影响很小；但当系统遭遇极端天气（如台风）时，隔水管的位移会明显增加。     

导向架隔水管在波流联合作用下的非线性动力响应

考虑了波流联合作用下固定式钻井装置隔水管与导向架之间的间隙-接触条件，讨论了非线性边界条件下瞬态动力学问题的求解方法。应用有限元法，将隔水管简化为海底泥面线下3m处固支、下层平台简支、中间不同高度的横向振动被导向架限制的梁模型，采用ANSYS软件，利用其combination40单元来模拟隔水管与导向架之间的间隙-接触条件，实例计算了百年重现期环境载荷下隔水管的动力响应，得到了典型节点的位移-时间历程和典型单元的等效应力-时间历程，成功实现了隔水管的强度校核。该计算结果为带导向架隔水管的设计与分析提供了参考。     

深水钻井隔水管时域随机波激疲劳分析

确定深水钻井隔水管时域随机动态分析和疲劳计算方法,采用第三代波浪模式WAVEWATCH计算中国南海波浪谱,并与相应的P-M谱、JONSWAP谱进行比较;开展不同边界条件下的隔水管波激疲劳分析,研究边界条件对隔水管波激疲劳寿命的影响;计算不同边界条件下隔水管疲劳损伤变异系数与分析时长的关系,确定不同边界条件下隔水管波激疲劳分析的最低时长;最后以中国南海某油井为例计算隔水管时域随机波激疲劳寿命。结果表明:南海海域波浪谱的谱峰值和谱形状都与JONSWAP谱较接近,建议选用JONSWAP谱;边界条件对隔水管波激疲劳寿命影响较大,疲劳分析时应考虑钻井船的慢漂运动;随着分析时长的增大,隔水管疲劳损伤变异系数呈指数式减小,考虑钻井船的慢漂运动后大大增加了分析时长。     

隔水管随机响应疲劳可靠性分析

为实现对波流共同作用下的隔水管疲劳可靠性分析,在时域里对隔水管进行随机非线性响应计算,给出空间隔水管非线性涡激动力响应的增量迭代算法.通过计算得到的隔水管关键点的应力时间历程和应用累积损伤模型,估算隔水管的疲劳寿命并进行可靠性分析,得出不同顶部预张力、旋转刚度和相关应力成分对疲劳可靠性影响的分析结果.     

海洋钻井隔水管顶张力分析

隔水管系统足海洋钻井的主要设备之-本丈对描述隔水管运动的四阶非线性偏徽分方程和边界条件进行了简化,并应用有限差分法对隔水管的受力情况进行数值分析.作用在隔水管上的顶张力,使用四种海况进行研究,并编制了相应的计算程序.通过实例计葬,与美国应力工程服务奋司的计葬结果进行比较,结果完全-致.末文提供的动态分析方法及计葬程序具有方法简便、精确度高和机时省千优点,对设计和校核隔水管系统具有实用价值.     

运动监测装置对柔性立管整体性能的影响

针对服务于我国南海某FPSO采油平台的9.25英寸柔性立管,根据南海海域实测的海洋环境条件,基于专业的海洋工程软件orcaflex,对该柔性立管进行了整体性能有限元计算,分析了不同波浪方向下,立管运动监测装置质量以及安装位置对立管整体性能的影响。结果表明,波浪方向、立管运动监测装置的质量及其安装位置对立管的整体性能均具有一定的影响,其中,波浪方向主要对立管最大张力值影响较大,而立管运动监测装置的质量及安装位置对立管最小曲率半径和最大张力值影响均比较明显。     

平面双分支水平井分支连接处井壁稳定研究

针对潜在走滑型应力场中钻平面反向双分支水平井分支连接处井壁稳定性问题,根据岩石力学相关理论,依据Drucker–Prager 准则,建立了分支井连接部分有限元分析模型,并采用牛顿–拉普森平衡迭代法求解。结合某油藏某井区实际地质资料,研究了最大水平主应力和分支井筒井斜角对分支井连接部分井筒稳定性的影响。结果表明：最大Von–Mises 应力大小和出现位置受井筒平面与原地最大水平主应力之间的夹角和分支井筒井斜角共同影响;最大Von–Mises 应力随着井筒平面与原地最大水平主应力之间的夹角增大而增大,随分支井筒井斜角增大,先减小,后增大,在分支井筒井斜角约为15◦时,最大Von–Mises 应力取得谷值。     

基于复模态法的深水钻井隔水管反冲响应力学特性

考虑隔水管在正常钻井作业过程中由于轴向拉伸储存的弹性势能和反冲过程中钻井液下泄时产生的黏滞阻力的共同影响,通过将隔水管离散化为三自由度质量-弹簧-阻尼系统,建立隔水管紧急解脱后的反冲响应力学分析模型和控制方程;以浮式钻井设备的升沉运动作为边界条件,以隔水管解脱前的变形为初始条件,考虑控制方程中阻尼矩阵不能被对角化的影响,采用复模态分析法对控制方程进行求解;根据实例分析得到反冲过程中隔水管底部总成(low marine riser package,LMRP)振动位移的变化规律,并讨论水深、波高、顶部张紧器弹簧刚度及解脱相位角等因素对LMRP振动位移的影响,研究隔水管反冲响应的主控因素。结果表明:在同样的作业条件下,水深越大,隔水管紧急解脱的安全作业窗口越小;波高越大,隔水管的反冲响应越剧烈;顶部张紧器的刚度是决定隔水管反冲特性的一个重要因素,张紧器刚度越小,LMRP与防喷器发生碰撞的可能性越大;解脱相位角对隔水管的反冲特性影响不大。