（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）张力腿平台ttr立管壁厚设计研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 立管系统是连接海底井口与浮式平台之间的导管，主要用途是生产、采油、注水、 修井和完井等。深水油气立管系统是油气开发系统中最薄弱的构件之一，也是深水油气 开发的“瓶颈”问题。 本文依托于国家8 6 3 项目“顶张紧式立管( t t r ) 设计与安装关键技术研究及软 件研发，主要内容为：基于准静态理论，研究基于t l p 平台的t t r 立管壁厚计算的 关键设计因素和校核方法。t t r 立管的壁厚主要取决于：环向应力、组合应力分析及静 水压溃分析。t t r 的准静态分析中所受荷载为表观重力( 包括重力和浮力) 、横向偏移 ( 由于”r r 受顶部平台位移而产生的强迫运动) 、集中力( 顶部恒定的张紧力以及海流 产生的应力) 。本文提出一种面向初始设计阶段的立管最小壁厚计算分析简化方法，并 对影响立管力学性能的关键因素进行优化设计。 由于顶部张紧力是影响t t r 立管的关键因素，因此本文考虑t l p 平台s e t d o w n 现 象对t t r 立管净伸长以及顶部张紧力的影响，数值分析表明：初始顶张力系数越小， s e t d o w n 对项张力系数增量的影响越大；立管顶部横向偏移越大，s e t d o w n 对顶张力 系数增量的影响越大；顶张力系数的增量与立管的表观重力之间无明显关系。在立管 壁厚校核计算中，另一关键问题是如何通过简化方法获取较为真实有效的载荷信息，其 中最重要的参数是t t r 立管底部的弯矩。本文由悬链线方程出发，经过一系列的简化 和修正处理，最终计算出t t r 立管在顶部横向偏移及海流的联合作用下立管的力学响 应，数值分析表明：立管的表观重力增大，会导致底部弯矩相应变大；立管的横向偏移 和横向海流载荷增大，同样会导致底部弯矩增大。 关键词：顶张紧式立管；悬链线方程；壁厚校核：t l p 平台 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 r e s e a r c hf o rw a l lt h i c k n e s sd e s i g no fat o pt e n s i o n e dr i s e rf o ra t e n s i o n e dl e gp l a t f o r m a b s tr a c t n o w a d a y s ，p l a t f o r m sw i t l lr i s e rs y s t e ma r ew i d e l yu s e df o rm a r i n eo i li n d u s t r y w l l i l es t e e l c a t e n a r yr i s e ra n dt o pt e n s i o n e dr i s e ra r et w ot y p i c a lr i s e rs y s t e m sf o ru s e e m p l o y m e n to f t r rh a sb e e ns u c c e s s f u li ns h a l l o ww a t e r b u tt h ee m p l o y m e n to ft r ri nd e e pw a t e ri sn o t s om a t u r e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sa r t i e l e ：b a s e do nk e yt e c h n o l o g i e so fd e s i g nf o rt o pt e n s i o n e dr i s e r a n dr e l a t i v es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c ho nt h es u b - p r o j e c t ，t h ed e s i g na n dc h e c ko ft o p t e n s i o n e dr i s e r ( t t r ) sm i n i m u mw a l lt h i c k n e s s w i t l lt h eb a s i so f t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fa d e e pw a t e rt t r r i s e rf o rat l pp l a t f o r m t h er i s e r ss t a t i cs t r e n g t hi sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d a n dt h e nas i m p l i f i e dd e s i g nm e t h o di sp r e s e n t e df o rc a l c u l a t i n gt h er i s e r sm i n i n l u l nw a l l t h i c k n e s sa n dt h er e l a t e dm e c h a n i c a lb e h a v i o ra tt h ei n i t i a lp h a s e c h e c k i n ga n da n a l y s i so f k e yf a c t o r ss u c ha sr i s e rt o pt e n s i o na n dw a l lt h i c k n e s s ，t h a ta f f e c tt h er i s e rs t a t i cp e r f o r m a n c e ， i sd o n eb yu s i n gt h es i m p l i f i e dm e t h o d ，a n dt h e np r o p o s e do p t i m i z a t i o ni sg i v e nt ot h ed a t a o b t a i n e di nt h ep r e l i m i n a r yd e s i g n 1 1 1 ef i r s tp a r to ft h i sa r t i c l ei st oi n t r o d u c ep r o b l e m sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e i r r e s e a r c ho ft h ef i e l df o rd e e pw a t e rr i s e ra n a l y s i s a ni n t r o d u c t i o ni sm a d ef o rt h em a i n d i r e c t i o no ft h ew o r ki nt h i sa r t i c l e i nt h es e c o n dp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n , t h ed e e pw a t e rr i s e r m e c h a n i c a lm o d e la n di t sp e r f o r m a n c ea r ei n t r o d u c e d n et l l i r dp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n , i n t r o d u c e dt h ea n a l y s i so ft h ei n - p o s i t i o ns t r e n g t ho ft t rw i mp r e l i m i n a r yd e s i g nd a t a a n d t h e nc a l c u l a t et h ei n f l u e n c et h a tt h er i s e rs e t d o w nc o n t r i b u t et ot h et o pt e n s i o nf a c t o r w i t h t h eu s a g eo fc a t e n a r ye q u a t i o n , p r e s e n t sas i m p l i f i e dm e t h o df o rm i n i m u mw a l lt h i c k n e s s d e s i g na n dc h e c k 1 1 1 ef o u r t hp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n , u s i n gt h ea p ir p2 r dc o d e ，p r e s e n t s t h ep r o g r a mb a s e do nt h es i m p l i f i e dm e t h o dt oc h e c kt h er i s e r sw a l lt h i c k n e s sb yt h e c o m b i n e ds t r e s sa n dt h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r ec o l l a p s ea n df i n a lt h ep r o p a g a t i o nc o l l a p s e p r e s s u r e 。p a r tvu s i n gt h ea b a q u sf o rs t a t i ca n a l y s i so ft h e 刀足a n dc o m p a r e dw i t ht h e s i m p l i f i e dm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e r 1 1 1 er e s u l t si sc o m p a r e da n da n a l y z e d p a r tv i i sa s u m m a r i z eo ft h ew o r ko fa b o v e ，c o n c l u s i o na n dt h ef u t u r eo u t l o o ka n do p i n i o n so ft h ew o r k k e yw o r d s ：t o pt e n s i o n e dr i s e r ；c a t e n a r ye q u a t i o n ；w a l lt h i c k n e s sc h e e k 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：乏整窒 导师签名： 丝4 年卫月卫日 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 涨。枣 日期：三竺仝：! 兰：! l 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 近1 0 年来，随着勘探和开采技术的不断发展，油气田开采领域己由浅海步入到深 海，开采水深从几十米的浅水到几千米的深水和超深水。在国外，2 0 世纪末就开始对贮 油丰富的墨西哥、坎普斯湾、北海和西非等深水海域进行了探索和开采，到目前已经形 成了一套成熟的深水开采理论和技术：在国内目前的海洋开采水域主要是平均水深为 2 5 m 的渤海领域，还没有具备对深水开采的能力，而我国南海具有丰富的油气储存，约 2 3 0 3 0 0 亿吨石油地质储量急需开发，但南海的平均水深达到2 0 0 0 多米，并且海洋环 境极为复杂，所以自前形成的浅水开采的理论和技术不能满足对南海油田的开发，因此 深水开采的技术和理论的研究有重要的工程意思。我国的深水勘探与开发技术已经起 步，深水油气田的开发是未来中国能源储备发展的重点，中海油与中石油的深水油气田 的开发已经提上日程，中海油目前已经在中国南海1 5 0 0 m 水深处发现荔湾3 - 1 大型气田， 该课题的研究成果在我国的应用前景非常广阔。 目前有多种形式的海洋结构物用于海底油气资源的勘探和开发。而无论采用何种形 式的海洋结构物开采方式，都需要使用立管来作为连接上部平台结构物和海底设备的结 构物，行使钻井、完井、输油等重要功能。对于现今的深海油气开发，经常采用的立管 形式有两种：钢悬链立管( s c r ) 和顶部张力立管( t t r ) 【l 】。t t r 立管是深海立管一种常用 形式，一般用于钻井立管或完井立管，属于刚性立管，是靠顶部张力相对自身表观重力 的过剩部分来维持自身稳定性的单独的立管。其形式特点为顶部使用张力器连接平台甲 板，脱离角接近于垂直，底部以特殊的接头形式与海底设备相连接。 深水立管钢管的壁厚是决定钢管承受安装和操作期间内、外荷载作用的关键因素， 也是影响工程费用的关键因素，深水海洋立管因其受外部静水压力和内部介质压力共同 作用，而使其在壁厚计算上与浅水海洋立管壁厚计算不同，且所遵循的规范也不同。目 前在深水海洋立管壁厚的计算上有很多指导性标准、规范，如：d n v o s f 2 0 1 n 引，a p ir p 1 1 1 1n 1 1 ，a p ir p2 r d n 钔，这些标准、规范主要提供以下应力校核方法： 1 ) 压荷载，即爆破破坏模式： 2 ) 外压荷载，即管子横断面的屈曲或传播屈曲破坏模式： 3 ) 组合应力，即因内、外压差产生的弯曲和轴向荷载共同作用，也就是常说的起 皱或椭圆化现象。 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 由于钻井环境条件的改变，深水对钻井作业的影响首当其冲的是明显加长的立管的 稳定问题，随着水深的增加，立管柱的受力状态更加恶劣和复杂，有不少浮动钻井船或 平台由于立管系统不能适应和承受巨大的综合性外力而使钻井工作中断，甚至无法恢复 继续钻进，造成钻井失败，给海洋钻井工作造成巨大的损失。以北海为例仅一年之内， 直接因立管系统而造成的损失就多达1 1 0 台天和3 5 0 万美元：而我国海域的石油勘探钻 井工作，由于立管系统的事故而造成停工也多次发生，因此，对海洋深水钻井的立管系 统进行分析，找出作用于深水立管系统的主要外载以及作用的方式，并建立相应的力学 模型，以期作为深水环境条件下立管柱强度设计的依据，解决立管的稳定、安全问题， 显得尤为重要，也即是深水钻井中目前需要解决的重要课题之一。 针对规范或实际情况，对t t r 立管进行基本的结构设计和工作状态下在位强度的计 算，对于现阶段的国内深海开发技术有现实意义。为了便于理解，本文基于a p i rp 2r d 准静态校核理论，以8 6 3 课题中确定的s c r 立管设计参数和结构型式为例，介绍海洋深 水立管壁厚计算中应主要考虑的设计因素和计算方法，供海底管道设计者参考。 1 2 国内外研究概况和发展趋势 海洋立管系统是油气开发系统中最薄弱的构件之一，也是海洋石油开发的“瓶颈 问题。在复杂的海洋环境荷载、功能荷载以及意外荷载下，如何设计出满足安装、在位 生产的深水立管是保证深水开采的关键环节。在深水立管的设计方面，立管的静动力分 析是进行设计的必要步骤，也是进行初步的立管参数设计和以后动态分析的基础。 海洋工程为了解决深水立管存在的工程问题，一般都采用两种途径：一是通过设计 深水立管的本身来满足设计的要求，这种方法虽然满足了设计要求但是具有实现困难和 造价高的缺点：二是在保证立管大部分满足设计要求的情况下，通过在危险截面添加辅 助构件来使得整个立管满足设计要求，这种方法既满足了设计要求也降低了造价，它是 目前常采用的方法。 静态分析在某些情况下是一种很有效的方法，尤其在决定立管基本构造的初步设计 过程中。它一般在立管的响应周期不小于2 秒和立管初步设计时被采用，在静态分析中 稳流力和海洋结构物的静偏移是模拟得到的，波浪力也是根据其相位、峰值模拟成静力。 静态分析的优点是所用计算时间少，在环境变化不大的情况下，能广泛地被用来对立管 的参数进行研究，其缺点是在估算应力和挠度时，没有考虑阻尼项和惯性项的影响，精 度较低。对于进行初始立管设计的静力计算，国外已有成型的分析软件，但这一系统技 术在国内还尚不成熟。 大连理工大学硕+ 学位论文 目前世界上对于立管的静态分析主要基于给定立管的初步设计数据使用专业的设 计分析软件，如o f f p i p e 、o r c a f l e x 、f l e x c o m 3 d 等，这类软件的专业性非常强，足够完成 海洋工程中管系设计到总体分析、安装分析的一系列完整过程【l 】。也有使用通用有限元 软件如a n s y s 、a b a q u s ，来进行静态和动态分析的，尤其是a b a q u s a q u a 海工模块能够 定义目前海工目前应用的各种波浪论，也能白定义波浪，以完成动态分析。 当立管的响应周期小于2 秒，特别是当外力的激振频率接近立管自身的固有频率时， 采用动态分析的方法尤其显得重要。动态分析通常有两种办法：( 1 ) 稳态的频域分析；( 2 ) 时域分析。 稳态的频域分析，是将控制方程中与时间有关的量都假设为y = y e 胁的简谐函数形 式，这样可以将控制方程转化为与时间无关的方程，因此就不必去考虑立管初始状态的 瞬态响应，而可以迅速地计算出其稳态的响应。频域分析法是求解动力分析最常用一种 方法，因为它所花的时间与静态分析的时间差不多，但能够满足工程上要求的精度。 立管的频域分析首先要求控制方程必须为一线性方程，而对于立管的分析，控制方程中 最主要的非线性部分就是m o f i s o n 公式中的粘性拖曳力相对应的速度平方项，因此在采 用频域分析法时，关键就是怎么处理拖曳力的速度平方项，速度项线性化的恰当与否直 接关系到求解的精度。对于这个拖曳力项进行线性化，目前己有好多人做了大量的工作。 时域分析法是所有方法中最精确的方法，它既能考虑立管的相对运动，也不需对m o r i s o n 公式中的非线性项进行线性化处理，同时针对立管运动是大位移、小变形的特点，对于 几何非线性而引起的刚度非线性可以予以考虑。此方法的优点是精度高，接近实际情况： 缺点是对计算机的容量要求大，计算时间长。不过随着现代计算机技术的发展，这些问 题已逐步解决，现在大容量的计算机是很常见的，而且相应的软件也很多，因此该方法 现在己经被更加普遍的应用【1 。丌。 1 3 本文研究内容 在初步设计时期，因为立管在给定了顶端的偏移后，由于立管的波浪和流载荷的确 定的是非常重要的，尤其流载荷对于t 1 限变形的影响最大，因此在初始设计阶段给定 适合的流剖面以计算立管的变形( 横向位移、转角) ，通过转角计算t t r 端部弯矩的， 以合成应力，校核初始设计的数据，并形成用于该项计算的简单软件。再结合有限元的 计算结果对这种简化方法进行评价和优化，得到指导t t r 壁厚设计的关键参数。 针对规范或实际情况，对t t r 立管进行基本的结构设计和工作状态下在位强度的计 算，对于现阶段的国内深海开发技术有现实意义。为了便于理解，本文基于a p i rp 2r d 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 准静态校核理论，以8 6 3 课题中确定的s c r 立管设计参数和结构型式为例，介绍海洋深 水立管壁厚计算中应主要考虑的设计因素和计算方法，供海底管道设计者参考。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 立管力学模型和微分方程 2 1 顶部张紧式立管环境载荷 在海洋环境中，海洋立管受顶部张力的作用，内部和外部流体压力及其压差对于张 力的影响类似浮力，以及顶部的波浪影响，在整个立管的长度方向受到海流的作用。 一月砂 - _ _ _ _ _ 卜 - _ _ - _ _ _ l _ l _ - _ _ _ _ _ _ 死 图2 1 立管环境载荷 f i g 2 1e n v i r o n m e n t a ll o a do nar i s e r 图2 1 中，( 工) 为侧向流载荷，吼为底部底部横向反力，i - i , 为顶部底部横向反力， 瓦为底部轴向力，z 为顶部轴向力，w 为表观重力线密度( 在后文还会解释这一概念) 。 而波浪的影响在进行静力计算时，被处理成顶部的偏移只。 2 1 1m o ris o n 方程 海洋工程结构的环境载荷包括：风、浪、流以及地震等许多荷载。它们都是具有随 机性和不确定性的特点，通常采用现场监测的手段可以得到比较准确的环境载荷信息， 一 一 一 一 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 但在进行大量的探索性和验证性研究时，为了计算的方便性都采用规则波、流、风等理 论对海洋结构进行研究。根据流体力学知识可以知道，流体对结构的作用主要是通过绕 流方式，所以要准确的计算波浪和海流对海洋立管的作用力，就要了解流体的绕流情况。 一般流体通过绕流作用在海洋立管的力主要有三种： ( 1 ) 流体的惯性力 当刚性的圆柱在均匀流体中，流体以等加速度运动时，单位长度圆柱所受的惯性力为： 石= p a u + c 卅p a ( u - v 3 ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中：p 是流体密度；4 为圆柱面积；u 为流体加速度；v 为圆柱横向运动的加速度； c 卅为附加质量系数，它与长径比l d 相关。 ( 2 ) 流体的拖曳力 当考虑定常均匀流，则单位长圆柱所受的拖曳力可表示为 厶= 丢如。卜v i ( z ，- v ) ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中：u 为来流速度；1 ，为圆柱横向运动的速度；d 为圆柱直径；c a 为拖曳力的系 数；它与雷诺数相关，反映的是流体粘性对圆柱体的拖曳效果。 1 9 5 0 年由m o r i s o n 首先提出了在定常均匀流场中，圆柱体所受到水动力为 1 f ( x ) = 寺p c z ) du v l ( u 一1 ，) + p a u + q p a ( u 一v i ) ( 2 - 3 ) 二 这就是m o r i s o n 公式，由于它形式简单，而且能够比较准确的计算出小尺度结构的水动 力，所以被工程上普遍应用【2 1 。 ( 2 ) 粘性流体绕流时旋涡形成和脱落引起的垂直升力 当流体流过圆柱体时，在圆柱后面形成了卡门旋涡，由于有旋涡的形成，就在 圆柱体后面形成了一个速度环量，速度环量导致了圆柱体两侧的速度发生了变化，从而 形成了速度差。根据流体力学中的伯努利方程可以知道速度差会导致压力差，在流体力 大连理工大学硕士学位论文学中这个压力差被称为升力。在一定的雷诺数下，旋涡的形 成和脱落具有周期性和交变性，从而形成了周期和交变的升力。而单位长圆柱所受到的 升力可表示为： 1 无= q 去2 d ( 2 4 ) z 式( 2 - 4 ) 中，c ，为升力系数；u 为来流速度；v 为圆柱的横向运动速度；d 为圆柱体直 径；p 是流体密度瞳1 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 波浪理论 有了m o r i s o n 公式作为换算流体对圆柱作用力的理论，就可以分别计算波浪和海流 对于圆柱体的作用力。 正确计算波浪对圆柱的作用力的关键是对给定的海况，选则适合的波浪理论和拖曳 力系数和附加质量系数。目前应用的几种波浪理论有用于浅水的线性a i r y 波，能比较 好的反应非线性的s t r o k e s 三阶、五阶波理论，孤立波理论。线性波浪理论是假定波浪 振幅足够小，这样就可以基本忽略非线性项而得到速度势的近似解。 2 1 3 海流作用 海流也是作用于立管的一个重要环境载荷，对于弯矩在立管长度上的分布，海流的 载荷形式影响最大。同时海流作用带来的升力则引起与来流方向垂直的横向涡激振动。 因此不论是静力还是动力分析，确定立管所受的海流形式，对于立管分析的正确性都有 重大的意义。现实环境中的海流种类和其基本特征如下： 1 ) 风海流 由于风在海面上吹过时，对海面会产生切应力，使海水产生运动称为风海流。它是 海流中最常见的一种流。 2 ) 梯度流 梯度流是在等压面发生倾斜时，水平压强梯度力和地转偏向力对达到平衡时的稳定 流。 3 ) 波浪流 近岸海区由于波浪引起的海水流动称为波浪流。 4 ) 潮流 潮流是潮汐中水质点的运动，亦即在水平潮力作用与潮汐涨落同时发生的海水在水 平方向上的周期流动。因此，它与潮汐涨落是同一事物的不同方面。各海区的潮流性质， 基本上与潮汐性质吻合。由于潮流容易受地形摩擦以及地转偏向力的影响，因此显得错 综复杂。潮流的运动形式，一般可分为复流和旋转流两类。往复流多发生在近岸水域、 河口、海湾口、水道、海峡和狭窄的海弯里。由于地形的限制，其流向呈正、反两个方 向的周期性变化，且最大和最小流速相差悬殊。在往复流从某一个方向向相反方向转变 的过程中，将出现最小流速，其值接近或等于零。与往复流相对应，在开阔的海域，潮 流则多具有旋转流形式，而不是简单地区分为正、负两个方向：其流速值相差并不悬殊。 由于地转偏向里的作用，在北半球的海洋中，旋转的方向为顺时针变化，在南半球则为 逆时针变化。 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 5 ) 定常流、周期流和短期流 如将海流的变化规律与时间过程联系起来分析，则可分为定常流、周期流和短期流。 基本上不水时间变化的的海流称为定常流，如在理论中，当影响海流的各个作用力达到 平衡后，方向、速度和强度都不再发生变化的海流。在一定时间范围内重复出现的，具 有周期性变化规律的海流称为周期流，如季风流、潮流等。由于一时性外界条件变化而 引起的，带有偶然性的海流称为短期流，如气旋通过时产生的风海流或气压梯度流等。 6 ) 入海迳流 由于融冰或大量降水而显著增加的河川迁流，入海后继续向河口外方或海区延伸而 形成的海流，即为入海迁流。 7 ) 暖流和寒流 按照海流本身的水温和周围海水温度的差异，又可分为暖流和寒流。温较周围海水 为高，向外界输送和传播热能的海流称为暖流；反之，温度较围海水为低的海流称寒流。 8 ) 补偿流 海水运动的结果必然在某些海区造成水的亏缺，同时在另一些海区造成的集聚，根 据水的不可压缩性和连续性，海水必定从集聚的地方流向亏缺地方而形成补偿流。 9 ) 盐水流和淡水流 按照海流本身所含盐度与周围海水盐度的差异，又可分为盐水流和淡水流两种。盐 度较周围海水高的海流称为盐水流：反之则称为淡水流h 1 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 s h o a l c u r r e n t s l a b l o o w e d d y c u r r e n tc u r r e n t 图2 2 海流剖面 f i g 2 2c u r r e n tp r o f i l e ，1 。 由a p ir p2 r d 规范给出了几种常用的海流剖面，如上图2 2 所示，对于给定的海 域，相关联的流剖面也是一定的。在一些特殊海域，会有特有的海流现象，如l o o p e d d y 流剖面和s o l i t o n 流剖面。大致上，风海流的影响区域只在海洋表面的一层，所以可以 用s h e a r 流或s l a b 流剖面就表示，在水深较深处有l o o p e d d y 流和s o l i t o n 流作用。因为 流剖面随时间变化缓慢，所以流剖面一般设置为与时间无关的变量。 2 1 4 顶部平台偏移 在无风浪海流的假设下，认为平台与t 1 1 之立管的连接使”限立管垂直于海底，丌r 立管中没有反作用的弯矩。在有了海洋表层的风浪和海流作用后，平台会发生运动，在 实际情况中，平台的运动和阿己的的响应有相互的影响，这一耦合作用比较复杂，所 以在静力校核中将波浪对上部平台的作用处理成对平台形成约束条件。 在动态分析中，计算平台结构在波浪载荷作用下的运动响应，可以通过平台的幅值 响应算子( r e s p o n s ea m p l i t u d eo p e r a t o r ) 进行计算，r a o 是一种传递函数，根据规范，对 于规则波，r a o 是平台运动与引起该运动的波浪幅值之比。对不规则波，则在频域分 析中给出。 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 2 2 顶部张紧式立管微分方程 在目前的计算和分析中，都将立管的变形视为小转角变形，而事实当中t t r 长和 偏移值的比在o 1 左右，换算成角度约为5 7 3 ，是符合小角度变形假设的。所以，将t t r 立管的力学模型处理为带有轴向张力的梁，下图2 3 所示为一段顶张紧式立管的梁模型： t 硒t - f + 6 f m 图2 3 立管微段受力 f i g 2 3f o r c e sa c t i n g0 1 1as e g m e n tr i s e r o t + 万一窆1 + f f x ) 彘：o l 出 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中f 为截面剪力，丁孕为轴向张力的水平分量，厂( x ) 为外部施加的侧向载荷， a x 将上式写成微分形式： 堡d x + 旦d r d x 删 ( 2 6 ) l。、7，1n 对微元体而言，截面的剪力f = d m d x 。所以式( 2 6 ) 可以写成： 罂d x + 旦d x ( 丁塑d x h 加。 ( 2 - 7 )2 。一 、 7 。 大连理工大学硕士学位论文 式( 2 7 ) 中m 为端邵弯矩，式( 2 7 ) 适用于受轴向力作用的小转角梁的计算，对于具 有抗弯刚度的弹性材料，如果抗弯刚度为e ，则d x m e 1 d y 2 ，代入公式( 2 7 ) 得到： = 一_ - 万d 2k p r - d j 2 y j 、一丢( 丁妾 一厂( x ) = 。 ( 2 - 8 ) 对于管截面的日为常数的情况，立管又接近垂直，所以有d t i d x = w ，则其静力微 分方程为： 日窑一r i d 2 y w d y 一厂( x ) ：o dx 4 d x 2d x 7 ( 2 - 9 ) 其中：x 为轴向坐标，y 为立管侧向坐标，e 为杨氏模量，j 为立管截面惯性矩，t 为 立管轴向张力，w 为立管的重力线密度，厂( x ) 为立管侧向的载荷函数。 2 2 1 方程的解 根据结构力学【3 1 ，当式( 2 5 ) 中的w 的值为零时，式( 2 9 ) 化为： 日窘一丁窘川加。 ( 2 - 1 0 ) 在方程两边除以兀变形后的如下表达式： 一1 e 1 d2d2ytd xd x = 五t ( 2 11 )、， 设定k ：圻可面，设定算子d ：d 出，因为梁的曲率1 r 可以写成： c 1 ) 一d ：y c 2 也， 所以式( 2 11 ) 可以化为： ( 一爿( 小争 仁 这个方程的齐次形式为： 磐d 搿害：o(2“)x d x 42 、， 文献阳1 给出这个齐次方程的解为： y = 4 + 以k x + 4 c h k x + 彳。s h k x ( 2 1 5 ) 一1j 、， 所以，式( 2 1 3 ) 可以写作： 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 c 11 一d 2 y 叫盖+ 垦警+ 致 仁峋 其中皿为算子： 以= ( 号+ 争悟 陋 给定x = 0 和x = l 处的边界条件后，由式( 2 - 1 6 ) 解出： ( 去) 0 = 鲁= 垦+ 风 倍 嘎：等一风( 2 - 1 9 ) f ， ” 同样可解得： ( 小告却也 仁2 。， 且：百m l 一吼( 2 - 2 1 ) 将式( 2 1 9 ) 与式( 2 2 1 ) 代入式( 2 1 6 ) 得到： ( 小( 鲁一风) 掣+ 以+ ( 告一吼) 盖 p 2 2 ， 以上式中眠为x = 0 处的弯矩，蚝为x = l 处的弯矩，凰和吼分别为皿在x = 0 和x 屯 处的值鄙。 2 2 2 离散化的考虑 对于一段较长的考虑重力的具有轴向张力的梁，由于各段的轴向张力不同，应考虑 式( 2 2 2 ) 的离散化形式。在不同的流载荷分布的情况下，算子疡、凰和风的表达式都 会有所不同，在后面的简化计算中会有详细的说明。 2 3 立管有效张力与真实张力 在立管分析中，有两个张力的定义：有效张力( 疋e f f e c t i v e t e n s i o n ) 和真实张力( k t m ew a l lt e n s i o n ) 。 立管的有效张力疋是指在立管截面处施加张力的剩余值，有效张力与立管所承受的 内外压力无关，仅与施加在立管顶部的张紧力和立管的自重( 或表观重力) 相关。 而立管的真实张力会受到内外压力的影响，在立管截面处的真实张力是有效张力和 内外流体压力的合力。下图所示水平放置的两端封闭管，内部液体对端部的压力为p 4 ， 大连理工大学硕士学位论文 其中为内压，4 为管内的截面积；外部液体对端部的压力为e o a o ，其中只为外压，4 为管外的截面积。对此管施加有效张力疋后，则真实张力： 瓦= p a p o a o + 疋( 2 2 3 ) 关于立管真实张力的计算，在很多文献中均有介绍，其中文献从阿基米德定律出发， 详尽地介绍了立管有效张力与真实张力的联系与区别。 图2 4 内外压力作用下的水平管 f i g 2 4h o r i z o n t a lr i s e ru n d e r i n t e m a la n de x t e r n a lp r e s s u r e 而对于本文要讨论的用于t l p 的t t r 立管，在近于垂直的，r t r 中在通常的工作状 态中，管内有流体作用如钻井液、油气等，由于立管在底部一般都有类似封闭的效果， 所以，立管的内部流体是要考虑末端效果的。因此，在n r 轴向，立管的有效张力在 管子的轴向呈线性变化。 - 五 t c 蒸 t c 乃t b 乃 a )b )c )d ) 图2 5 垂直管的有效张力 f i g 2 5e f f e c t i v et e n s i o nf o rv e r t i c a lt u b e s 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 如图2 5 所示，其中的正为立管顶部施加张力，瓦为立管底部施加张力。a 管在截 面处的有效张力疋等于z 减去顶部至截面处的管体及内部流体重，由于外部浮力产生的 影响，应该补上这一部分立管的浮力。而对于b 管，在截面处的有效张力与a 管的区别 就在于截面上一段内部流体重的区别。而如果在没有内部液体的上部分选择截面如c 管， 则内部液体的影响保持不变。对于d 管，两端都没有封闭，因此d 管有效张力z 不受末 端载荷的影响。 2 4 表观重力 表观重力与真实重力的区别在于立管内外流体的影响，即截面以上部分立管自身重 力与内部流体重量减去该管段所受的浮力。这是帮助理解有效张力的另一逻辑系统。定 义表观重力： w 口= 嵋- i - w t w o( 2 - 2 4 ) 式中，w 口为表观重力，w 为管材料重力，心为管内流体重力，w o 为管外部流体重 力，即排开液体的重力。这一逻辑系统与式( 2 - 2 3 ) c 9 的各项相对应，其中w 口与乙对 应，为平衡所取截面下端的管段重的张力；w ，对应r e ，为外部施加张力在截面处的 剩余值；b 4 与w 对应，见心与w 口对应。 2 5 海流对于t t r 的影响 一般的带有轴向力的梁微分方程，表达式为( 2 9 ) ，在进行计算时，而为了表述立管在环 境载荷下的形状，其中描述其形状的主要参数为咖出和一d 2 y 出2 ，高阶小量对于形 状的影响并不大，而由式( 2 2 2 ) 可以得到在不同流载荷分布下，一d 2 y l d x 2 的计算表达式， 来描述立管的形状。 2 5 1 均匀流时t t r 形状 梁在均匀流下的曲率描述： f ，= 一窘= 五( 1 - 1s h k ( l - x ) + s h k x t r j ts h k l ) ( 2 2 5 ) ， 出2 l p 7 2 5 2 线性流时t t r 形状 f ，土、：一垂：f ，丝一s h k ( l - x ) + 厶+ f ，丝一五、堕( 2 - 2 6 ) t r j ， 出2 l 日s h k lt l 日丁js h k l 大连理工大学硕士学位论文 对于抛物线流( 即开方线性) ： 六2 i 瓜+ ( 佤一痂芝l ( 2 - 2 7 ) 1 ) 一= g os h k ( l - x ) 忙氧掣肚面s h k x 仁2 8 ， 式( 2 2 8 ) 中： q ：m 目o _ h 。m 日。粤玎掣 2 p 2 9 ， q ：等母告争玎掣 2 p 3 。， 2 5 3 离散化求解的方式 对于比较复杂的流载荷，在使用式( 2 - 9 ) 时，各段轴向张力因为管自重的影响而不 同，因此，可以将计算的粱离散为多个具有一定轴向张力的单跨粱。所以将式( 2 - 2 8 ) 的 形式离散化处理。 设单元长度为e ，w 为表观重力线密度，k 为柔度系数，以开方线性流为例，由式 ( 2 - 2 7 ) ： 六= ( 华卜 亟竽卜 浯3 l ， 将式( 2 3 1 ) 代入( 2 2 8 ) ，可以将各个分段的不同的流分布和轴向力转化成一个多段的线 性轴向力变化和多段抛物线模拟的流剖面。 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 3t t r 立管静力简化计算 3 1t t r 立管初始设计 设计考虑总纲： 一般来说，设计的目标是保证一定的失效可靠性，通常计算的工况包括服役限制状 态，最终限制状态，疲劳限制状态，偶然限制状态。分别保证立管的可服役，立管的结 构强度( 不出现裂纹) ，立管裂纹后的疲劳剩余，和立管在偶然载荷下的最终失效( 极 限强度) 。图3 1 是立管设计的安全体系示意图。 图3 1 立管设计的考虑等级 f i g 3 1s a f e t yh i e r a r c h yo fr i s e rd e s i g n 金属立管的一般设计准则遵循几种设计方法：( 1 ) 载荷与反力因子设计方法；( 2 ) 工作应力设计方法；( 3 ) 基于可靠性分析的设计；( 4 ) 基于试验与监控的设计。其中： ( 1 ) 载荷与反力因子设计方法，要求设计的载荷效果( 各项评估因子的综合) 在 极限条件下不超出设计算的设计的反力效果。 ( 2 ) 工作应力设计方法，是载荷与反力因子设计方法的一种简化形式，是以一种 设计因子，即工作时的应力状态为判断准则，进行设计。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 基于可靠性分析的的设计方法，作为上述两种确定性设计方法的替代方法， 基于可靠性分析的设计方法是一种不确定性方法。通过提供足够的可靠性对给定的工况 进行设计。 ( 4 ) 基于试验与监控的设计，则完全是依靠试验的数据和经验，进行设计的方法3 。 在进行立管的初步设计后，包括以下的数据： 立管参数：包括立管外径、平均壁厚、制造容差，隔热层和外涂层的厚度和密度以 及初始的顶张力因子。 材料参数：包括选择的管子的材料杨氏模量、泊松比，材料密度和屈服极限。 流体参数：各个工况下内部流体的密度。 环境载荷参数：水深，平台偏移，海水密度，流剖面。 t l p 平台参数：平台的张力腿长，立柱长( 张力腿顶部至连接采油树的甲板的高度) 。 3 2 等效截面的计算 本文中的t t r 采用双重套管( d u a lc a s i n g ) 结构，由生产输送管、内层保护管和外 层保护管构成，一旦内层保护管失效，外层保护管被设计成能够保持内部的介质流动， 因此能够维持油井的压力平衡。 图3 2 双重套管与等效截面示意图 f i g 3 2d u a lt u b ea n de q u i v a l e n ts e c t i o n 张力腿平台t t r 立管壁厚设计研究 因此在壁厚分析阶段，需要对双重甚至复合套管结构进行等效换算，其中包括：立 管等效壁厚换算和内容物等效密度换算。 立管等效壁厚换算的依据为：等效前后的立管外径相同、立管水下重相同。文献曾 给出双层管等效壁厚的计算方法，本文按照其思路扩展到双层套管的等效计算。内容物 等效密度换算的依据为：等效前后的内容物重量相同( 需首先计算出等效壁厚) 砼到。关 于内容物等效密度换算在所查阅的文献中尚未提及，本文同样按照立管等效壁厚换算的 思路计算内容物密度，通过计算发现此项在立管最小壁厚分析中对计算结果影响比较小 【船】 3 3t t r 立管伸长计算 立管上部的平台在风浪的作用下会产生一定程度的水平偏移，在立管的计算分析 中，这种水平偏移一般处理为立管顶端强制的位移边界条件。 在平台初始位置时，立管顶部施加的是由初始t o ( t o pt e n s i o nf a c t o r ) 所确定的顶 部张紧力；在顶部平台发生偏移后顶部张紧力会发生变化，这是由立管的净伸长引起的。 在平台偏移的过程中，所产生的弯矩是未知的，但是由于抗弯刚度对于立管伸长的影响 很小，所以在计算立管净伸长时，通常将立管作为悬索模型处理，不考虑抗弯刚度( 弯 矩) 的影响。 。立管顶部与平台的甲板相连，假定张力腿的张力筋腱为刚性，平台甲板的下降值由 张力筋腱的转角产生，而立管顶部的下降值由悬索形状产生，由这两者的区别引起立管 伸长或压缩，这种现象称为t t r 立管的s e t d o w n 分析，t t r 立管的s e t d o w n 会导致立 管顶部的张紧力发生变化。 3 3 。1t l p 平台s e t d o w n 计算 t l p 平台是固定浮式平台的一种形式，平台上部位于水面上，通过3 至4 根立柱连 接平台下部，立柱为圆形结构，主要用来提供给平台本体必要的结构刚度。平台浮力由 位于水面下的沉体浮箱提供，浮箱首尾与各立柱相连。张力腿由1