（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）悬链线立管触底端与海底相互作用分析.pdf

d o w nz o n ea n dt h es e a f l o o r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gc h u n l i n g s u p e r v i s o r ：w a n gt e n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：至盔礁 日期：刎年厂月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 圭查丝一一 指导教师签名： 日期：介f 年月乙日 日期：伽ff 年月1 日 摘要 随着海洋油气勘探开发逐步走向深水及超深水，涌现了多种新型的浮式平台以适应深 海恶劣的环境载荷。钢悬链线立管成为了深海浮式生产系统油气输送的首选立管，在一定 程度上克服了柔性立管和项部张力立管在深海领域应用的局限性，被认为是深海立管系统 的有效解决方案。钢悬链线立管设计的一个重要的控制因素就是触底点( t d p ) ，悬链线立管 的动态应力受立管与海底土的相互作用的影响。因此对悬链线立管与海底相互作用的研究 具有重要的科学意义和广泛的应用价值。 随着悬链线立管的普遍应用，由于立管与土的循作用引起的疲劳破坏引起了广泛关注。 管土相互作用包括很多非线性过程：沟槽的形成、非线性土刚度、土吸力和立管与海底的 脱离。本论文主要研究分析了立管与土的相互作用问题，从理论上研究了土与立管相互作 用机制，给出了研究方法及其分析过程。应用有限元分析软件a b a q u s 建立悬链线立管与 土相互作用的模型，得出土体的骨架曲线及其影响因素，并对埋藏段关系的受力进行模拟。 然后利用o p e n s e e s 软件模拟立管与海底的接触区域将其模拟为立管与其支撑弹簧的相互作 用，土弹簧的刚度特征由q z 材料来描述，研究了立管的变形、弯矩和弯曲应力，以及立管 截面尺寸、船舶运动幅值和土吸力等因素对弯矩、变形和弯曲应力的影响。 研究表明：立管的最大弯矩和最大弯曲应力集中在与海底接触的一小段距离，此处疲 劳破坏最大。海底土不排水抗剪强度、不排水抗剪强度梯度、荷载的大小和立管截面尺寸 都对立管的弯曲应力有显著影响。在吸力作用下立管的弯矩显著增加，在研究中考虑吸力 的影响是很必要的。 关键字：悬链线立管，接触区，立管与海底相互作用，a b a q u s d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gt e n g a b s t r a c t a so f f s h o r eo i la n dg a sp r o d u c t i o nm o v ei n t od e e pw a t e ra n du l t r ad e e pw a t e r , v a r i o u s i n n o v a t i v ef l o a t i n gs t r u c t u r e sa r ep r o p o s e da n dd e v e l o p e dt oc o m p l yw i t hs e v e r ed e e p - w a t e r e n v i r o n m e n t sa n dt or e d u c et h ec o s t s t e e lc a t e n a r yr i s e r s ( s c r s ) f o rd e e p w a t e rd e v e l o p m e n th a v e b e c o m eav i a b l eo p t i o nf o ro i la n dg a se x p o r tf r o mf l o a t i n gp r o d u c t i o nf a c i l i t i e st os h o r e ，s h a l l o w w a t e rp l a t f o r m s ，o rt os u b s e ap i p e l i n eh u b s s c ri sc o n s i d e r e do v e rb o t ht r a d i t i o n a lf l e x i b l er i s e r a n dt t r si nd e e p w a t e rd e v e l o p m e n ta n dac o s te f f e c t i v es o l u t i o nt od e e p w a t e ro i la n dg a s p r o d u c t i o n t h ec o n c e p to fs c r i si n h e r e n t l ys i m p l ea n di so f t e nt h o u g h to fa ne x t e n s i o no ft h e f l o wl i n eo rp i p e l i n e a ni m p o r t a n tf a c t o ro fs c r d e s i g ni st o u c hd o w np o i n t ( t d p ) ，d y n a m i c s t r e s so fs t e e lc a t e n a r yr i s e ri se f f e c t e db yr i s e r - s o i li n t e r a c t i o n t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e da n da n a l y z e ds t e e lc a t e n a r yr i s e ra n ds o i li n t e r a c t i o np r o b l e m s ， a n dg a v et h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m ，r e s e a r c hm e t h o d s ，a n di t sa n a l y s i sp r o c e s s 。u s i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea b a q u sb u i l ds t e e lc a t e n a r yr i s e ra n ds o i li n t e r a c t i o nm o d e l ，d r a wt h es o i l b a c k b o n ec u r v e s ，a n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r s t h e n ，u s i n go p e n s e e si nt h i sr e s e a r c hc o n s i d e r st h e r i s e r - s e a f l o o ri n t e r a c t i o np r o b l e mi nt e r m so fap i p er e s t i n go nab e do fs p r i n g s ，t h es t i f f n e s s c h a r a c t e r i s t i c so fw h i c ha r ed e s c r i b e db yq zm a t e r i a lc u r v e s a tl a s t ，t h es o i l p i p ei n t e r a c t i o ni s m o d e l e dt oa s s e s st h ef a c t o r st h a te f f e c tt h ed e f l e c t i o n ，b e n d i n gm o m e n ta n db e n d i n gs t r e s sa l o n g t h ep i p e ，s u c ha ss e c t i o n a ld i m e n s i o n , s h i pm o t i o na m p l i t u d ea n ds o i ls u c t i o n t h es t u d ys h o w st h eg r e a t e s tb e n d i n gs t r e s sa n db e n d i n gs t r a i na l w a y sa p p e a r st ob e c o n c e n t r a t e do v e ras m a l ll e n g t ho ft h es c r ，s of a t i g u ed a m a g ei sl a r g eh e r e t h es e a f l o o r u n d r a i n e ds h e a rs t r e n g t h ，u n d r a i n e ds h e a rs t r e n g t hg r a d s ，t h em a g n i t u d eo fp i p ed i s p l a c e m e n t ， t h el e n g t ho ft h et o u c h d o w nz o n ea n dt h ep r o p e r t i e so fp i p ea l li n f l u e n c eb e n d i n gs t r e s si nt h e p i p e w i t hs u c t i o n , t h er i s e rb e n d i n gm o m e n ti n c r e a s e so b v i o u s l y , s oi t i sn e c e s s a r yt oc o n s i d e r s u c t i o ni na n a l y s i s k e y w o r d s ：s t e e lc a t e n a r yr i s e r ，t o u c h d o w nz o n e ，i n t e r a c t i o n , a b a q u s 第一章绪论 目录 l 1 1 研究背景：1 1 1 1 海洋资源的开发现状1 1 1 2 海洋平台和立管1 1 2 研究意义4 1 3 国内外研究现状5 1 3 1 大尺寸实验。7 1 3 2 管土相互作用实验研究。9 1 3 3 线性弹簧的有限差分模型1l 1 3 4 非线性弹簧的有限差分模型1 2 1 - 3 5 张力分离点弹簧的有限差分模型1 2 1 4 悬链线立管的结构一1 3 1 5 悬链线立管的关键技术1 3 1 5 1 浮体的运动。1 4 1 5 2 与海底相互作用1 5 ， 1 5 3 疲劳寿命预测与疲劳损伤1 7 1 6 本文研究内容一1 8 第二章管土相互作用分析1 9 2 1 管土相互作用过程2 0 2 2 立管沟槽的形成2 2 2 3 沟槽的外形公式2 3 2 4 骨架曲线2 4 2 5 土刚度2 5 2 5 1 静态刚度2 6 2 5 2 大位移动力土刚度2 6 2 5 3 小位移动力土刚度2 8 2 6 有限差分法2 9 2 7 土的弹性模量3 3 2 8 本章小结3 5 第三章管土相互作用数值模拟3 6 3 1a b a q u s 简介3 6 3 2 接触面的建立3 6 i i j 3 7 3 8 3 3 2 首次贯入3 9 3 3 3 骨架曲线模型3 9 3 3 3 参数研完4 1 3 4 埋藏管线。4 3 3 4 1 分析过程4 3 3 4 2 分析结果4 5 3 5 本章小结。4 6 第四章管土相互作用整体分析4 7 4 1o p e n s e e s 简介4 7 4 2q z 材料4 7 4 3 模型的建立4 9 4 3 1 边界条件和载荷5 0 4 3 2 建立模型5 0 4 4 有限元模型结果。5 1 4 4 1 管截面尺寸影响51 4 4 2 钢悬链线立管运动的幅值5 2 4 5 土体吸力5 3 4 5 1 土体吸力模型5 3 4 5 2 最大土吸力5 4 4 5 3 土吸力模型的限制5 6 4 5 4 土体吸力的影响一5 6 4 6 本章小结5 7 结论与展望5 9 1 6 7 6 6 6 献 文录谢 考 参附致 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 海洋资源的开发现状 目前，随着社会的不断发展，人们对资源消耗量的日益增长，陆地资源尤其是石油等 矿产资源，已经远远不能满足人类日常生活中的需要。因此石油的勘探开发逐步由陆地走 向海洋，并向深水及超深水进军。目前探明的世界海洋油气的绝大部分在大陆架区域。全 世界大陆架面积约3 0 0 0 万k m 3 ，占海洋面积8 ，我国2 0 0 m 水深大陆架约有1 3 0 1 5 0 万 k m s 。根据统计预测：全球石油极限储量大约一万亿吨，但是可采储量只有不到1 3 ，大约 3 0 0 0 亿吨，其中海洋中可采储量占4 5 ，大约1 3 5 0 亿吨。全球天然气的储量大约2 5 5 2 8 0 亿立方米，海洋储量占了约5 0 ，大约1 4 0 亿立方米。2 0 世纪末，世界石油总产量6 0 亿 吨，但海洋石油产量已经占5 0 。在过去的海洋勘探开发中，由于技术还不够成熟，水深 大部分都集中在5 0 0 m 以内。上世纪7 0 年代国际上开始了深水油气的勘探，随着科学技术 的迅猛发展，深水油气勘探也迅速发展，钻探水深不断创新高，钻探水深记录1 9 9 9 年为 2 4 3 7 m ，2 0 0 0 年为2 6 9 3 m ，2 0 0 1 年为2 9 5 3 m ，2 0 0 3 年为3 0 5 3 m 1 1 ，2 0 0 4 年为3 0 9 5 m z 。专 家预测未来石油产量中海洋的深水区降占4 4 。可以预见，世界深海油气勘探前景广阔， 未来几年，在深海的投资将会不断增大，深海油气所占的比重也会越来越大。 我国近海海域的一系列沉积盆地中也含有丰富的油气资源，如渤海盆地，珠江口盆地 等，而且南中国海被称为世界上“第二个波斯湾 。南沙海域石油天然气资源丰富，根据 初步估算石油可采量约为1 0 0 亿吨，其中7 0 在中国断续国界以内。据官方的不完全勘测， 我国的南海深水区域石油天然气资源相当丰富，但是水深环境恶劣，恶劣的自然条件和复 杂的储藏层块极大的限制了深水勘探开发力度，深水行业面临着风险高、投入高、技术高 的境地。同时在海油工程技术领域，我国自主研发能力和实践经验相比国外的技术尚有很 大的差距，从几个水深的数据就能明显对比出。截止到2 0 0 4 年，我国钻探能力的最大水深 只有5 0 5 m ，而国外最大水深已达到3 0 9 5 m ，我国已开发的油气田的最大水深也只有3 3 3 m ， 而国外已开发的油气田的最大水深己达到2 1 9 2 m ，我国铺管的最大水深为3 3 0 m ，而国外己 达2 2 0 2 m 2 。在深水油气田的勘探开发方面我国面临着巨大的挑战。中国未来石油产量的 提升空间将更多的依赖于海上开采，中国海洋石油开发将迎来一个高速发展期。 1 1 2 海洋平台和立管 第一章绪论 随着海洋油气资源的勘探开发不断向深水以及超深水进军，用于深水勘探开发的技术 和装备也需要不断提高和更新，深水研究面临着一轮新的挑战。海洋工业建造的生产系统 适于更深的海域中，并不断涌现了新型的海洋钻采平台和相应的立管系统，从固定式平台 不断向浮式平台方向发展，如张力腿平台( t e n s i o nl e gp l a t f o r m ，t l p ) 、半潜式平台 ( s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ) 、s p a r 平台、浮式生产储运系统( f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n d o f f i o a d i n g ，f p s o ) 、浮式生产系统( f l o a t i n gp r o d u c t i o ns y s t e m ，f p s ) 等新型平台系统不断涌 现，如图1 1 。在风、浪和流等海洋环境下，新型平台系统的运动形式不同于传统的重力式 平台和导管架平台，因此，新型平台需要不同于传统立管的立管系统，立管系统的设计也 面临新一轮挑战，多种新型立管系统因此层出不尽，如混合立管( h y b r i dr i s e r ) 、柔性立管、 顶张力立管( t a r ) 以及钢悬链线立管( s c r ) 等。 图1 - 1 不同水深下的平台 f i g l - 1 p l a t f o r m si nd i f f e r e n td e p t ho fw a t e r 在浮式平台或生产系统中，浮体的漂移量比较大，因此顶部张力立管已经不能顺应浮 体的运动，而且其补偿能力也变得愈加困难，很难顺应浮体的漂移和上下升沉运动i j 】。相 比项张力立管，虽然柔性立管能够顺应浮体的上下升沉和漂移运动，但是柔性立管的安装 复杂，承受的流体压力小，随着水深的不断增加，海况越来越恶劣，柔性立管的成本增高 且不适用于高温高压环境【4 】。对于浮式平台或生产系统，钢悬链线立管在技术和经济上是 很有优势的，悬链线立管的形状使得弯矩减小更能适应环境。由于这些优势，柔性立管和 项张力立管被钢悬链线立管取代成为深海油气田资源开发中的立管系统的有效解决方案。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 近几年来钢悬链线立管( s t e e lc a t e n a r yr i s e r ，s c r ) 的发展引起了工程界和学术界的极 大关注，在技术上它的独特优势获得了深水油气田开发的青睐。上个世纪9 0 年代中期，世 界上首次出现了钢悬链线立管，第一条钢悬链线立管是由美国s h e l l 公司安装在位于墨西哥 湾的a u g e r 平台上，水深为8 7 2 m 。经过十余年的发展历程，钢悬链线立管的应用水深已经 超过了3 0 0 0 m ，并且能够安装于f p s o 、张力腿平台、半潜式平台、s p a r 平台和f p s 等新 型平台系统，图1 2 和图1 3 分别是立管分别与f p s o 和t l p 的连接。 图1 - 2 悬链线立管与f p s o 连接 f i g l - 2 f p s ow i t hs c r 图l - 3 悬链线与t l p 连接 f i g l - 3 t l pw i t hs c r 目前，在印度海、墨西哥湾、挪威海、北海、西非和巴西坎普斯湾，钢悬链线立管已 陆续投入安装生产使用 5 - 1 2 】。为了满足不同水深的需要，钢悬链线立管的定义也被不断发 展与延伸，目前已形成了悬链线立管的四种基本形式，即l 型立管( b o t t o mw e i g h t e dr i s e r l r i s e r ) 、陡波悬链线立管( s t e e pw a v er i s e r ) 、缓波悬链线立管( b u o y a n tw a v e l a z yw a v er i s e r ) 和简单悬链线立管( s i m p l ec a t e n a r yr i s e r ) ，如图1 - 4 所示。 简单钢悬链线立管悬浮部分的弯曲角度接近9 0 。，自由悬挂在平台外侧，与浮式 平台相连接是通过柔性接头，与海底接触时是水平的，随着平台的运动悬浮段的长度变化， 平台的漂移位置决定实际的悬浮段的长度； l 型立管整段立管由两部分组成，分别是由弯曲点连接的水平段和通过刚臂连接 的垂直段，水平段一端弯曲与竖直向立管相连，另一端与海底管线连接。在平衡性方面， 3 第一章绪论 所设的浮力装置来保持水平段立管的平衡，而竖直段立管的稳定性通过刚臂柱的系缆得到 保证； 缓波立管( 浮力波立管卜与简单悬链线立管相似，水平地与海底接触，与海底接触之 前的形状为“弓”形，浮力支撑缓弓形部分； 陡波立管与其他类型立管不同的是，“弓”形部分垂直地海底表面接触而不是水 平的，接触点是固定的，不像其他的立管触底端是可以移动的，浮力支撑着立管中的“弓” 形部分。 相比简单悬链线立管而言，缓波和陡波立管的隆起的部分通过浮力来支撑，它们的设 计减小了立管的顶部张力，因此它们的适用水深更深些【1 3 】。 1 2 研究意义 1 | 型立量 图l - 4 钢悬链线立管的基本形式 f i 9 1 - 4 b a s i cf o r mo fs t e e lc a t e n a r yr i s e r 近些年来发展起来的的新型立管技术钢悬链线立管，目前正广泛应用于深水工程 领域。他不需要顶部张紧力补偿，可以顺应浮式平台的漂移，技术领先于顶张力立管，而 相比于柔性立管，他的优势在于能适应于更大的水深，承受更恶劣的环境条件，尤其在高 温高压的环境。钢悬链线立管的成本相对于柔性立管大大降低，而且大直径柔性立管的制 造在技术上还没有解决。不管从技术还是经济上，钢悬链线立管都有优势，成为深水方案 的首选立管系统。 但是也面临的问题是在悬挂点和与海底接触区域的过大的疲劳度。在接触区域的疲劳 度受与海床接触区域的土体条件的严重影响。一个潜在的疲劳破坏与悬链线立管的最大弯 曲应力和弯矩有直接关系。最大弯曲应力和弯矩取决于海底刚度和悬链线立管运动的阻尼。 钢悬链线立管设计的一个重要的控制因素就是触底点( t d p ) ，悬链线立管的动态应力受立管 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 与海底土的相互作用的影响。影响因素有很多，如海底土的抗剪强度、平台的运动和立管 的运动速度等。 i 3 国内外研究现状 早于1 9 9 7 年，2 h 海洋工程公司就曾对钢悬链线立管的设计进行过分析和实验研究， 具体涉及到立管与海床的相互作用问题、触地点疲劳的问题等，并且在行业内发起了一个 深水立管工业联合发展计划【1 心9 】。对于钢悬链线立管的设计过程，两个主要因素触地 点( ) p ) 和涡激振动) 分四个阶段分别提出。研究的结果表明，钢悬链线立管的动态应 力受立管与海底相互作用的影响很大，立管的运动速度、海床的剪切强度和加载历史、在 扰动和重塑过程中的强度损失等极大的约束了钢悬链线立管的动态应力。主要的研究结果 和结论该研究计划没有公开。 1 9 9 9 年6 月, - - 2 0 0 2 年1 2 月，悬链线立管一海床相互作用模型工业联合发展计划 ( c a r i s i m aj 口) 是由石油公司( e x x o n m o b i l e 、c h e v r o t e x a c o 和p e t r o b r a s ) - - 起出资进行的 【1 5 2 8 1 ，并由s t a r o i l 、m a r n 和瑞典学院共同完成。该计划中，土体的刚度对s c r 疲劳寿 命的影响是贯穿于整个研究过程中，并且建立了钢悬链线立管与海底的相互作用的模型以 便用于立管的整体分析，海床侧向阻力及立管拔出土体时产生的垂向土吸力( s u c t i o n ) 的作用 也考虑在了模型中，这个模型不但能用于钢悬链线立管触底点处的疲劳寿命的预测和整体 分析，同时也能用于柔性立管的整体分析和与海底接触部分的疲劳寿命预测。位于墨西哥 湾s p a r 平台的2 8 英寸的输油立管、位于北海半潜式平台2 8 英寸的钛合金输气立管和位于 非洲西部的浮式生产储油系统f f v s o ) 的6 英寸的钢悬链线立管是应用了这个模型的三个工 程实例。研究表明：当立管主要受到的荷载为侧向荷载时，应用c a r i s l m a 模型对疲劳响 应的影响比较大。 通过采用p a l m g r e n m i n e r 累积损伤模型和时域分析方法，l u c i a 等人【3 0 】曾经对钢悬链 线立管进行过疲劳损伤计算，研究表明：钢悬链线立管疲劳寿命的两个关键位置分别是立 管的顶端( t o pr e g i o n ) 和触地点( t d p ) 。 m e k h a 等人【3 l 】对由于浮体运动和涡激振动而导致的钢悬链线立管的疲劳问题进行了研 究，研究表明：确定钢悬链线立管顶端疲劳寿命的关键因素是柔性接点的刚度。决定触底 点( t d p ) 疲劳寿命 3 2 】的关键因素是海底土体的性质和刚度以及立管的材料性能。并且影响钢 悬链线立管疲劳寿命设计和预测的关键参数是立管与海底土的相互作用模型、模态截断和 振型。 5 第一章绪论 通过对浮体运动和水深的影响进行研究，h a y s 等人【3 3 】认为：对于不同水深和不同的锚 固系统，风和二阶波浪力引起的浮体频运动是不同的，研究表明：浮体频运动对悬链线立 管的触地点( t d p ) 造成的疲劳损伤影响最大。实践表明，对悬链线立管触地点( t d p ) 造成的 疲劳损伤最大的区域大都是有效波高在4 8 英尺的海况，因此应取足够的该类海况来估计 悬链线立管的疲劳寿命。 圣保罗国家技术研究院的p e s c e 等人以及巴西的圣保罗大学阳5 】曾对钢悬链线立管触 地点区域的动张力和动弯矩进行了试验和理论研究，并且在浮体一阶运动引起的悬链线立 管顶部动张力和动曲率方面也取得了一定的进展，采用的方法是渐进方法和边界层理论。 研究表明：弯曲刚度对触地点( 1 1 ) p ) 的动力特性影响较大【3 6 】。 a r a n h a 等人 3 7 】发展的钢悬链线立管触地点动弯矩的近似解析解，是基于准线性频域解 的基础上。该方法中粘滞拖曳力是唯一的非线性项，触地点移动的现象也考虑在内。研究 人员基于准线性频域模型，得到了触地点移动的预测仍是非线性的结论，这主要是由立管 的的两个准线性动态变量动张力和触地点位移决定。 关于钢悬链线立管的设计问题，挪威的k o r t h 等人【3 8 】进行了研究，研究表明：钢悬链 线立管触地点的静态弯曲应力因浮力结构因素而增大，浮力区对疲劳、尤其是对涡激振动 引起的疲劳也比较敏感。在浮力区采用螺旋板抑制振动的方法来降低涡激振动疲劳敏感性。 研究认为，可以采用简单钢悬链线立管的约束条件，根据现有的规范，对浮力型钢悬链线 立管进行设计。 关于钢悬链线立管的疲劳分析问题，美国的p h i f e r 等人【3 9 4 0 】曾进行过研究，p h i f e r 在对 钢悬链线立管进行频域分析时，由于柔性接头和钢悬链线立管的触地点处的疲劳破坏最为 严重，随转动角度的增大柔性接头的转动刚度减小，海底和柔性接头的刚度影响较大，因 此建议采用小单元在立管的顶端和底端。研究表明，对于钢悬链线立管的焊接疲劳分析 a p i x 的疲劳曲线是适用的。 在坎普斯湾极端海况下，c a m p o s 等人【4 1 】分析了钢悬链线立管悬吊端转动对触地点的影 响，并且提出了钢悬链线立管触地点动弯矩渐进表达式。研究表明：由于波浪的弯曲效应， 在立管与海底的接触处，动弯矩渐进表达式的分析解和数值解有一定的离散，但是这个因 素没有考虑在表达式中。 关于钢悬链线立管与海底相互作用对立管弯矩的影响，德国的b o s t r o m 等人【4 2 】曾进行 过系统的研究。研究表明：随着海床吸力和管线埋藏深度的增大，立管触地点弯矩增大。 因为动力问题没有考虑在这种方法中，所以得到的弯矩值偏低。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 关于钢悬链线立管与海底相互作用问题，美国的p e s c e 等人【4 3 1 得到了钢悬链线立管触 地点区域动力问题的准静态分析解。研究表明：对立管的动力响应有较大影响的是海底土 体的粘性和立管的弯曲刚度。 据美国海洋会议论文集( o t c ) 统计，国外己相应开发出不同浮式结构、能够适合不同水 深的钢悬链线立管系统。墨西哥湾的a u g e r 、挪威海的a s g a r db 、坎普斯湾的p 一5 1 和北海 的s t a 坞o r dc 等是目前已经投入生产使用的钢悬链线立管。应用钢悬链线立管的也有在印 度和西非的半潜式平台和张力腿平台。悬链线立管分析软件包主要有： f a t r i s 、 o r c a f l e x 、a n f l e x 、p o s f a l 和i n t 3 d a p i 等在波浪作用下的疲劳分析软件包； d e e p l i n e s 综合分析软件包；f l e x c o m3 d 等时域分析软件包；f r e e c o m 3 d 频域分析软 件包；s h e a r 7 等涡激振动疲劳分析软件包；a b a q u s 等设计安装分析软件包；s p h e r e 柔性接头( n e x - j o 缸) 分析软件包。 1 3 1 大尺寸实验 许多研究已经来研究悬链线立管的运动的机制。首先，全尺寸试验是研究流，土与立 管的相互作用对悬链线立管和接触区域立管应力的影响；这个试验在2 0 0 1 年在英国西部 w a t c h e t 海港由2 ho f f s h o r ee n g i n e e r i n gl t d 的s t r i d ei i ij i p 进行了三个多月。原尺寸试 验的目的是模拟流、立管与土的相互作用的重要性和发展有限元分析技术来预测有规则的 反应【4 5 1 。 试验是用一根1 1 0 m ( 3 6 0 f t ) 长，直径0 1 6 8 3 m ( 6 5 8 i n c h ) 立管来进行的。立管与海港上的 一个激励连接，在海底有一个锚接点。一个可编程的逻辑控制器来模拟船舶的慢漂和平台 在1 0 0 0 m 水深中的波浪运动，这个控制器使管柱顶部运动。张力和弯矩通过沿管安装的张 力测量仪来监控，实验示意图如图。 a e t u m o r 1 0r n 图1 - 5 实验简图 f i g1 - 5h a r b o u rt e s ts e t - u ps c h e m a t i c 7 第一章绪论 海床是软粘土的，不排水抗剪强度是3 - 5 k p a ，灵敏度是3 ，塑性指数3 9 ，在泥浆层 以下呈现正常的固结抗剪梯度。表1 1 详细显示海底土的物性参数。 b r i d g ee ta 1 ( 2 0 0 3 ) 回顾2 ho f f s h o r ee n g i n e e r i n gl t d 进行的全尺寸试验。从试验数据中得 出结论土的吸力，重复荷载，拔起速度和土的固结时间影响流、立管和土的相互作用。他 也陈述了沟槽形成的可能的原因，如下所述： ( 1 ) 受到激励的立管的上下运动能形成沟槽，而且水冲涮立管底部而形成沟槽。 ( 2 ) 潮流可能冲走立管周围的沉积物。 ( 3 ) 当涨潮或退潮时观测到的涡激振动导致穿过立管时海水的流动。高频率的运动像一 个锯慢慢切入海床。 ( 4 ) 当测试立管被淹没，浮力使立管离开海底。在沟槽里的任何松散的或附着在立管上 的沉积物会被冲走。 表1 - 1w a t e h e t 海港土的物性参数( b r i d g e 和w i l l s ，2 0 0 2 ) t a b l e l 一1g e o t e e h n i e a lp a r a m e t e r so fc l a ys o i la tw a t e h e th a r b o r ( b r i d g ea n dw i l l s ，2 0 0 2 ) 物性参数数值 含水量，w 1 0 4 7 密度，p1 4 6 m g m 3 干密度9d 0 7 3m g m 3 粒子密度，p 。 2 6 8m g m 3 液限指数，w l 8 7 6 塑限指数，w p 3 8 8 塑性指数，i p 4 8 9 平均有机含量 3 2 比重，g s 2 6 8 不排水抗剪强度 3 5 k p a 回弹抗剪强度 1 7 k p a 粘土灵敏度 3 3 固结系数，c v 0 5 m 2 y e a r 体积压缩系数，m v 1 5m 。m n t h e t h i 和m o r o s 考虑土与悬链线立管的相互作用的三个方面：由于立管垂直运动引起 的海底立管运动的影响，与抽吸有关的海底水的影响，由于垂直，水平和轴向土反力对立 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 管的影响。由于问题的复杂性，t h e t h i 和m o r o s 建议沟槽的深度和宽度在立管分析中被确 定，建立在最深的沟槽和保守的土强度的假定的基础上。 一般的，立管一土的响应曲线根据土弹簧来描述。然而，根据独立于时间的土的支撑 弹簧来表示立管单元处的土响应是不可能的，由于重复荷载和土的塑性变形响应是随时间 变化的。然而，弹簧形状随时间改变，从土的首次响应曲线到退化响应。另外，立管单元 与偏移在很大一定范围内没有联系，直到比以前试验的偏移大时才有联系，在这个点单元 可能突然恢复到初始响应曲线。立管与土的响应曲线结合骨架曲线被认为是加载过程曲线， 这在图1 - 6 得到解释。立管一海床荷载变位曲线的特点依赖于埋藏深度、土和立管的性能。 在本次试验中，提出了海床的动刚度和吸力模型，试验研究表明，悬链线立管触地点 ( t d p ) 在静止一段时间后，突然的竖向位移将引起立管的峰值弯曲应力；立管的拔出速度对 弯矩的影响甚微，几乎忽略不计；海底图吸力由于受固化时间的影响，因此具有滞回特性。 不难看出，此动刚度模型偏于保守，因此用该模型预测的结果也是偏于保守的。 一 厂、 深度f b a c k b o n ec u a l - e p e n e w a u o n u n i o a d i n g s o i ls u c t i o n k p e n e t r a t i o n a f l e a - b r e a k o u t 图1 - 6 管土相互作用模型的土反力 f i 9 1 - 6 s o i lr e a c t i o no fr i s e r - s o i li n t e r a c t i o n 1 3 2 管土相互作用实验研究 实验室模拟水平管线受垂直荷载的实验( d u r l l a pe ta 1 ，1 9 9 0 ；c l u k e ye ta 1 ，2 0 0 5 ) 提供管 土相互作用的有效的信息。这些实验数据给出了管土相互作用的荷载一位移曲线，验证p - y 模型的信息和模型中参数的定义。 d u n l a pe ta 1 ( 1 9 9 0 ) 进行在循环荷载作用下管土相互作用的实验。模型中的管径是0 5 f t ， 长5 n ，壁厚3 8 英寸。实验中的水槽截面是6 * 6 英尺，4 英尺深。土体的液限指数是1 0 1 ， 塑性指数是6 2 ，是高塑性粘土，实验装置如图1 - 7 。 9 第一章绪论 图l 一7 实验装置 f i 9 1 - 7e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 实验程序包括两部分：力控制的循环实验和位移控制的循环实验。力控制的循环试验 是施加一个循环荷载，大小是最大和最小荷载的平均值。位移控制的试验中，在向下运动 过程中，给管施加一个力后，然后把力取消，让管在自重作用下向下运动，在向上运动过 程中管施加一定的循环位移荷载。图1 8 给出了实验中得到的p - y 曲线和立管的嵌入深度与 循环次数的关系。 誉 、 墨 西 重 ( a ) 位移控制实验的荷毒等位移曲线 l o a d d e f l e c t i o nc u r v e f o rd i s p l a c e m e n tc o n t r o l l e dt e s t ( b ) 位移控制实验的荷载位移曲线 l o a d - d e f l e c t i o nc u r v e f o rd i s p l a c e m e n tc o n t r o l l e dt e s t 图1 - 8 位移控制实验结果 f i 9 1 8 r e s u l to fd i s p l a c e m e n tc o n t r o l l e dt e s t ( d u n l a pe ta l ，1 9 9 0 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 两个小时的循环荷载后，给出了循环荷载条件下的p y 曲线图一个和3 0 0 0 个循环也反 映出在循环荷载条件下土体强度的衰减。图1 - 9 给出了骨架曲线模型和在1 个循环和3 0 0 0 个循环作用下衰减的影响。 c l u k e ye ta 1 f 2 0 0 5 ) 进行了一系列的垂直荷载实验来研究悬链线立管与土的相互作用。 实验在位移控制和力控制条件下研究小位移和大位移下土体的响应，主要研究在循环荷载 条件下河管土分离时的土响应。 nac 止 一一一。 。 。 。 i ， + ， h o 图1 - 9 荷载循环对骨架曲线的影响 f i 9 1 9 b a c k b o n ec u r v ew i t he f f e c t so fl o a d i n gc y c l e s ( d