深海钢悬链线立管的分析与设计.doc

哈尔滨T.程大学硕士学位论文lpill_ Y1437925分类号：ubc：密级: 编号: 工学硕士学位论文深海钢悬链线立管的分析与设计硕士研究生：葷永强指导教师 ：孙130萍教授学科级别 ：工学硕士学科、专业：港口、海岸及近海T程所在单位 ：船舶工程学院论文提交曰期：2008年2月29曰论文答辩曰期-2008年3月6日学位授予单位：哈尔滨工程大学摘要近年来，深海石油和天然气的勘探和开发活动已经如火如荼，全球的海 洋石油工业正在更深的海域建造生产开发设备、广泛采用新兴技术并极大地 促进了现有技术的发展。这是海洋石油和天然气工业发展的总趋势。中国的 海洋石油工业亦是如此，近期勘探活动表明，在南海500m水深处发现了石油 天然气资源的存在。南海从500m到2, 500m水深范围，将有12个区块进行联 合勘探和开发。不管海洋工程领域的发展采用什么形式的浮式设备，总会需要立管系统， 它是海洋石油装备的重要组成部分。某种程度上，立管是更为复杂和关键的 设备。钢悬链线立管被认为是深水立管中有效解决成本问题的设计方案，并 被广泛的使用。有人断言，随着水深的增加，钢悬链线立管将是最为经济的 选择，其工作水深甚至可以达到10, 000英尺。本文以钢悬链线立管为例，进行立管的整体设计和分析工作。其中包括 立管的管壁厚度设计与校核、强度分析、运动疲劳分析和祸激振动疲劳分析 等几项工作：1. 管壁厚度的设计和校核依据美国石油协会规范APIRP 2RD进行；2. 使用EXCEL计算程序和大型有限元分析软件ABAQUS分别对立管进行静 态强度分析和动态强度分析；3. 在进行运动疲劳分析时，先由ABAQUS软件计算立管的动态响应，再利 用雨流计数法对应力一时间历程曲线进行处理，最终计算得到立管的运动疲 劳寿命；4. 使用SHEAR7软件计算立管的祸激振动疲劳寿命。通过以上计算和分析工作，本文得出了结论，选定的设计方案是可靠的。关键词：深海：钢悬链线立管：强度分析：疲劳分析ABSTRACTIn recent years, the exploration and production activity of offshore oil and gas industry in deepwater is numerous. Global offshore industry is building systems today for production in even deeper water, progressively using new technologies, and significantly extending existing technologies. This is the general trend in the offshore oil and gas industry. It is also true for China offshore industry. Recent exploration activities indicate the discovery of hydrocarbon resources in the South China Sea at the water depth of 500m approximately. There are 12 blocks with water depth varying from 500m to 2500m in South China Sea to open for joint exploration and production.Regardless of the floater concept adopted for offshore field development, there is always a need of risers, which form the critical parts of offshore infrastructure. Risers are some of the more complex aspects of deepwater developments. Steel Catenary Riser (SCR) is considered a cost effective solution to deepwater oil and gas production, and is used widely. It is envisaged that SCR will continue to be the most economic solution as water depth increases further, even up to and beyond 10,000 feet.The assignment of this thesis is to carry out the configuration design and analysis work of a SCR, including the riser pipe wall-thickness sizing design and verification, the analysis of riser strength, the analysis of motion fatigue and VIV fatigue.1. Design and verification of Dioe wall-thickness was carried outbased on API RP 2RD;2. Static and dynamic strength analysis of the riser was finished using the EXCEL computation program and large-scale finite element method analysis software ABAQUS separately;3. Dynamic response of riser was achieved using ABAQUS software firstly, and then stress-time course curve was disposed to calculate and obtain the motion fatigue life using the rain-flow method;4. VIV fatigue life was calculated using the software SHEAR?. Through the work of computation and analysis above, it wasconcluded that the design proposal of the SCR is reliableKeywords: deepwater； SCR; strength analysis; fatigue life哈尔滨T.程大学硕士学位论文哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字)：日期： 年.月日第1章绪论1.1海洋立管海洋立管是现代海洋工程结构系统中的重要组成部分之一，同时也是薄 弱易损的构件之一。作为海面与海底的主要联系通道，其下端一般与万向节 相连，上端则可连于平台的滑移节或钻探船舶等。1海洋立管内部一般有高温高压的油或气流通过，外部承受波浪、海流荷 载的作用。由于立管所处的海洋环境的特殊性和复杂性，很多因素都对其具 有不同程度的影响。立管在内部流体和外部环境荷载的作用下会发生弯曲和 振动，若结构的固有频率和外荷载的频率接近，还可能引起共振，造成立管 的破坏。立管一旦遭到破坏，不仅工程本身遭受损失，而且可能造成严重的 次生灾害，例如油气的泄漏和爆炸等。因此对立管抵抗破坏能力的研究具有 十分现实的意义。至今，立管的静力响应、动力响应以及疲劳分析仍然是海 洋工程领域的重要研究课题，尤其在深水中，复杂的风、浪、流条件使立管 的力学特性变的极其复杂。1.2深海开发中的海洋立管近年来，深海开发中的油气勘探和生产活动大大增加，与上世纪末相比 水深增加了一倍多。海洋石油产业正在更深的海域建造生产开发设备，在广 泛釆用新兴技术并极大地扩展了的现有的技术。这是世界海洋石油和天然气 工业发展的总趋势，如在墨西哥湾、西非、巴西和北海等地的深海油气资源 的开发。对中国海洋石油幵发事业亦是如此，回溯到60年代末期，当中国的 海洋工业刚从勸海湾起步时，该地区典型水深仅为20米。到了 80年代末期， 中国南海的联合勘探和开发活动开始在水深100米到400米的范围内进行。 随着中国海洋石油天然气工业的发展，越来越多的油气资源在水深约500米 的深水区被勘探和发现。最近的勘探活动显示.在中国南海水深约600米处发现了油气资源。目前，世界上油气开发的目标水深每年都在增加。考虑到技 术可行性和经济因素，深水开发的挑战需要创新的思想和观念、先进的工程 方法、新型材料和焊接技术等。不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用立管系统，它是海洋 基础结构的关键组成部分。作为独立的深水开发项目，海洋立管工程是海洋 石油天然气工业的重点工程。1.2.1海洋立管系统立管系统的实质是连接水面浮式装置和海底设备（如井口、PLEM、总管） 的导管。立管可分为钻井立管和生产立管。生产立管具有多种不同的结构， 如自由悬挂的钢悬链线立管（SCR)、顶端张紧立管（TTR)、柔性立管、混合 立管等。对应深水生产的需求，新型的立管结构也应运而生，如顺应式垂直 通路立管（CVAR),(多孔）混合立管等。1.2.2海洋立管的设计标准尽管立管已经存在很多年了，而它的技术进步只是在近些年来随着深水 技术的发展而产生的。早期立管的主要结构是钢制生产管线的简单延伸，通 常绑扎在导管架腿柱上。早期立管的设计以独立的管道标准为基础，只是采 用不同的安全系数而已。深水域的资源开发需要新方案和新技术来处理在浅水开发中没有遇到过 的挑战。为了解决深水立管技术也需要一个新型的工业立管设计标准。第一 个立管设计标准是API RP 2RD,然后是DNV OS F201。这两个标准仍然是海 洋立管仅有的设计标准，如下：1. API RP 2RD(1998) ： Design of Risers for Floating Production Systems and Tension Leg Platforms, First Edition, American Petroleum Institute, 19982. DNV OS F201(2001): Dynanic Risers, DET NORSKE VERITAS, 2001 此外，一些由管理机构发布的标准对立管设计作了一些扩展，如ABS(2001) Guide for Building and Classing Undersea Pipelines and Risers” 等。1.2.3海洋立管的工业设计软件最常用的通用非线性有限元分析软件包括：ABAQUS：通用有限元分析软件；ANSYS；通用有限元分析软件。用于立管分析的己高度商业化和知名的工业软件包括：Riflex： Norwegian Marine Technology Center (Marintek)；Flexcom 3D： MCS International (Ireland)；Orcaflex ： Orcina Ltd. (UK)；SHEAR?： MIT (USA)。1.2.4海洋立管的工程设计1.2.4.1设计阶段的划分海洋立管的设计通常按以下的步骤进行：1. 概念设计：该阶段设计的主要目的是确定技术可行性，确定下一设计 阶段所需的信息，进行资本和进度估计，经常被称为“方案选择”。2. 初步设计：该阶段的主要任务是进行材料选择和确定壁厚；确定立管 的尺寸；执行设计规范校核；准备授权应用。基本方案需要在这个阶段定稿， 也称作“确定阶段”。3. 详细设计：该阶段的所有设计工作需要足够详细以进行采购和制造。 而且，工程过程、说明书、测试、勘测和制图等工作需要全面开展。这个阶 段也称作“工程执行阶段”。1.2.4.2设计流程的确定设计流程的主要目的是以设计基本数据（如设计压力和温度、油田数据 和产品处理数据）为基础确定最优化的立管设计参数。在这些参数中，下列 参数是最重要的：1. 基于流动保障性分析的立管尺寸（内径)；2. 基于管道存在性、成本和燥接的管道材料等级（如API5L管、CRA 管、表面镀层管、村管)；3. 基于设计标准的管壁厚度确定（如压力负荷计算、强度校核)；4. 管道路径选择、立管顶部和海底布置（如管道排列图、立管悬挂系统)：5. 立管长度；6. 管道覆层的类型和厚度（如抗侵烛覆层、重力覆层、绝热覆层)；7. 管道阴极保护系统（如阳极类型、数量、与管道连接装置)。一般来说，设计流程是一个交互式的过程，这些参数要与平台系统和其 他管线的设计统一考虑确定。 1.2. 4.3设计基础资料的选择和确定设计基础资料文件提供了管理立管系统设计的手段，重点控制设计的改 变。设计基础资料文件编制的目的是提供基本原理、一系列的设计数据、用 于指定工程开发的合理要求和设计方案。设计基础资料文件是立管设计的基 础，它将在整个工程过程中随着设计数据的增加而不断地被检查和更新。 典型的立管设计基础资料应该至少包括如下内容：1. 立管整体系统和功能需求的描述：描述立管系统的布置和关键部件的 数据，详细说明工程设计的总体要求；2. 设计和分析要求：定义立管的载荷条件和评定立管各种响应的规范和 标准；3. 设计数据：提供立管系统的相关数据。包括：油田布置和位置数据、 系统设计寿命和油井生产数据、立管各种参数、平台结构的尺寸数据和各种 海况下的运动数据、海洋、地质和土壤的数据、压力和温度数据、环境载荷 数据（风、浪、流的数据）等。1.2. 4.4立管材料的选择海洋立管最常用的材料是从碳钢（如美国石油协会API5L规格，等级 X52-X70或更髙）到特种钢（也就是合金钢，如13%络）的钢材。成本、抗侵 蚀能力、重量要求、可煤接性等因素决定了材料的选择。钢材的等级越高，单位体积（重量）的价格越高。然而，随着高等级钢 材生产成本的降低，海洋工业的总体趋势是使用高等级的钢材。材料选择可能是海洋立管设计中最初的步骤之一，它是立管系统设计中 的关键要素。此外，材料选择还与制造、安装、运行成本有关系。 1.2.4.5立管的在位分析有限元方法是进行立管在位分析的强大工具。所谓在位分析指模拟立管 的工作状态而进行的力学分析，在位分析贯穿了立管的整个设计寿命，它可 以包括一些连续的负荷情况，如：1. 安装阶段；2. 压力测试阶段（充水和水压测试）；3. 运行阶段（产品输送、设计压力和温度）；4. 关闭、冷却循环阶段；5. 侧向屈曲阶段；6. 承受动态环境载荷阶段；7. 承受冲击载荷阶段（如捕鱼设备、坠落物体等)；8. 浮式装置的运动对立管动力性能的影响等。 在位分析可以分为静力和动力分析：1. 静力分析，对于立管系统，静力分析可以确定立管的整体结构，如顶 端悬挂角度、立管总长度、着陆点（TDP)等设计参数。这些工作可以通过使 用ABAQUS或前面所述的专用立管软件来完成；2. 动力分析，动力分析通常研究立管系统的非线性动力响应。对于立管 系统，由于浮式装置的运动、动力环境条件（风、浪、流）的作用，动力影 响始终存在。立管系统的响应可由非线性动力分析来确定。在立管的有限元 分析中应该特别注意材料非线性、几何非线性和边界非线性等因素的存在和 影响。1.2.5海洋立管的安装海洋立管的安装是通过专用安装浮式装置进行的。最常用的立管安装方 法包括：J型铺设、卷筒铺设、S型铺设、拖曳铺设。由于安装方法的不同，海洋立管承受安装浮式装置不同的安装载荷。这 些载荷包括压力、张力、弯曲和疲劳等。安装工程设计用于估算载荷对立管 的影响以保证载荷的作用符合强度设计标准。立管安装过程中的疲劳计算同 时也是立管整体疲劳寿命计算的重要组成部分。1.3海洋立管研究现状由于立管的运动微分方程比较复杂，用经典的方法去求解方程的解析解 是很困难的，所以一般是采用数值解法。数值解法一般分为有限差分法和有 限元法，由于有限元法对弯矩较大、应力较集中的部位给出比较精确的解答， 因此有限元法经常被采用。而且目前基于有限元法的商业软件很丰富，在每 个领域都有适合自身的特殊软件，这使得采用有限元法进行立管的分析更加 方便。根据立管的工作环境、运动情况及要考察的状态，将立管的分析分为两 种：静态分析和动态分析。在某些情况下，静态分析是一种很有效的方法，它是一种很简单的方法， 在立管的响应周期不小于2秒时和立管初步设计时经常被采用。稳流力和平 台的静偏移是模拟出来的，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 对立管的参数进行计算和分析；其缺点是在估算应力和烧度时，没有考虑阻 尼项和惯性项的影响，精度较低。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： 稳态的频域分析法和时域分析法。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; = Ye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 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。立管的 频域分析首先要求控制方程必须为一线性方程，而控制方程中最主要的非线 性部分就是Morison公式中的粘性拖曳力相对速度平方项，频域分析法的难 点关键在于对这个相对速度平方项如何处理、处理的是否得当。对于这个拖 曳力项进行线性化，已有好多人做了大量的工作。频域分析法是科学工作者 比较感兴趣的一种方法，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。时域分析法是所有方法中最精确的一种，它既能考虑立管的相对运动， 也不需对Morison公式中的非线性项进行线性化处理，同时针对立管大位移、 小变形的力学特性，可以考虑由几何非线性引起的刚度非线性等特点。此方 法的优点是精度高，接近实际情况；缺点是对计算机的性能要求髙，计算时 间长。不过随着Sf.代计算机技术的发展，这些问题已遂步解决，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。本文中对立管的动力分析就是采用时域分析法。通过此法可 以获得立管在动态载荷作用下的应力响应数据2。1.3.1立管的动态响应分析现状Fisher Ludwig以及Tidwell and Ilfrey3确定了海洋立管设计的基本 特征；然后立管受不同条件的响应被逐渐的研究。在浅水波、海水和钻探船 运动缓和以及立管直径相对小的假设下，动力影响并不是一个主要的设计指 标。但是，随着水深的加大，动力影响却变得十分的重要。最初，在立管的研究中，由于立管的长度还有限，通常被作为梁模型来 研究。Burke4将立管考虑为梁，研究了立管响应对激振频率的敏感度，从 静态解中他得出了立管由浮体运动产生的动力响应在任何水深下都是重要的 设计指标。同一时期，Nordgren5开发了不伸长大振幅三维Love-Kirchoff 梁模型，认为横截面有相同的极惯性矩，忽略旋转惯量，并且利用了有限差 分法。其后，Gardner and KochM利用欧拉-贝努利梁方程发展了两个几何 刚度矩阵，用来考虑微弱的几何非线性以及沿立管的张力的线性变化，同时 考虑了顶端张力的周期性变化。随着柔性立管受到广泛的利用，梁模型已经难以满足立管研究的需要。 在柔性立管中运用最为广泛的是Nor(lgren5最早开发的细杆模型。细长的结 构体单元可以看作细长柔性杆，Nordgren提出了弹性杆理论运动方程以及对 应计算机的有限差分分析方法，建立了基于结构断面不变、忽略外部扭转力 的三维柔性杆运动方程的矢量表达式。Garret7发展了相同主轴刚度不伸长 弹性杆有限元模型，该模型允许大变形和有限的旋转，建立了计及长度方向 张力变化的分别用于位移及单元载荷的两种形函数方程。BratuandNarzults 忽略了弯曲刚度的影响建立了时域下的细长柔性立管的动力模型。De Oliveria等9考虑到柔性立管弯曲只是在支撑点的附近才有重要作用的特 点，建立梁索稱合模型。即在支撑点的附近运用梁模型而在其他部分运用索 模型，该模型被用于有简单形状的柔性立管。PaullingandWebsteriQ进一 步完善了弹性杆理论，考虑了水动力载荷以及立管运动和浮筒位移的稱合。 Chen等11在大应变的假设下进一步发展了弹性杆的运动模型。立管模型研究中的主要问题包括剪切流的影响、内部流体的影响、扭转 的影响、弯曲刚度的影响、顶端张紧力的影响、水面浮体运动的影响以及非 线性项的影响等。Azari2以及sparksi3对不同的参数对立管的动力响应的 影响做了系统的研究，其中Azar and Soltveit运用带几何非线性的有限元 刚度法确定了水深、浮体平移、泥菜重量、顶端张力以及浮体系数对立管应 力、底端和顶端球节点角度的影响。TriantafyllouMS，Chatjigeorgiou IK和MavrakosSAn5认为立管张力相对较大时，弯曲刚度可不予考虑，但是 直接从运动方程中去除弯曲刚度的影响将会造成错误的结果。Bemitsas and 1(01011516基于有限元运动方程分析立管的张力，考察了由内流压力引起的 弯曲以及失稳临界长度。Bennet and Bernitsasi7发展了比较完整的立管动 力响应模型，该模型涉及到三维横向振动及非线性项的贡献等问题。之后 Kokarakis and Bemitsasi8开展了基于有限元程序的立管的非线性动力问 题数值解的研究工作，其研究表明非线性水动力等非线性因素的重要性。 Moei9详细研究了输液立管中轴向张力的影响问题。Silvio B. C. Martins 等把流和结构作为一体来研究,把随机祸流的方法和有限元的方法结合起 来，计算立管在流的作用下的响应。运用祸流面和点的概念来计算流对结构 的作用力。运用被Sphaier & Yeung (1991)改进的作用力计算公式来计算祸 流力。Hidetaka Senga等2i将理论计算和实验研究相结合，分析柔性立管 在润流作用下的动态响应，用实验数据来检验数值计算方法的准确性。该论 文采用自己幵发的实验装置、模型、观测装置和计算软件，用YP Hong and Koterayajna的基于能量守恒定律式推倒出来的运动方程。综上所述，立管的 动态分析研究一直得到理论界及工程界的广泛关注。1.3.2立管的疲劳损伤分析现状对于近海建筑物,由风、浪、流以及现场作业等因素引起的动载荷是非常 复杂的，对管节点或其他煌接部位的疲劳寿命计算，受对环境力、结构的局部 和整体响应、疲劳强度和损伤积累等计算的不确定性的制约22。Denby Morrison等人通过模型试验分析了钢悬链线立管由祸激振动引 起的疲劳损伤,这里的疲劳损伤包括两个部分，即由祸激振动本身引起的疲劳 和立管由于祸激振动发生碰撞而引起的疲劳。得到了流速、立管的间距对立管的疲劳损伤的影响比较大的结论。Basim B. Mekha23对钢悬链线立管在波浪和祸激振动的作用下进行疲劳 寿命计算,其中考虑两个重要的部位:柔性接头和触地点，并指出在计算其疲 劳寿命时,柔性接头刚度因子、SHEAR7程序中模式参数的选择及触地点的模 态曲率对立管疲劳寿命影响比较大。然而，祸流引起的平台运动也能导致钢 悬链线立管疲劳。Bai Y.24等人探讨了 Spar平台的钢悬链线立管在祸流引 起的平台运动作用下的累积损伤,提出了计算此类疲劳损伤的详细过程,根据 Palmgren - Miner线性准则算出立管的累积疲劳损伤，并给出了立管在各种 因素共同作用下的累积疲劳损伤计算公式,最后对具体的工程实例做了敏感 性试验，表明立管疲劳损伤对立管的悬挂角度比较敏感。Martins25等针对钢悬链线深水立管，研究了着地点附近的疲劳情况，其 分析中采用了简化模型、线性近似、渐进表示及频域范围解等方法。利用现 有的线性问题的频域范围解,给出着地点位置的运动渐进计算公式，并利用 S-N曲线表示材料的疲劳行为,求得立管在着地点附近的疲劳寿命及总的积 累疲劳损伤。Teigen和Kanmakaran26对张力腿平台上自由悬挂和受拉张的两种立 管进行了疲劳寿命计算，其中关键问题是研究波浪衍射如何影响作用于立管 上的载荷,并指出与一个“标准的”工程方法相比，当考虑波浪衍射时，立管 的疲劳寿命将会明显减少。对于立管疲劳的计算，最主要的是流体速度的描 述，而不是波浪的计算。Grant等27针对高柔度深水立管,给出了一个时域祸激振动计算程序， 用于计算深水立管的祸激振动，并将计算结果与大尺寸模拟试验数据进行比 较。作者使用时域方法模拟任意管结构对波浪诱导运动的动力响应,分析结果 可用于评定立管的强度和疲劳累积问题。Trond Stokka Meling等28研究了由祸激振动引起的立管疲劳损伤计 算，其在参数处理中釆用了经验正交化的方法，该方法利用矩阵的奇异值分 解进行转化，其矩阵运算如下：d = 式中：矩阵t/的列表示的是矩阵 的特征向量,矩阵的列表示的是矩阵44的特征向量，；I的对角线的 元素表示的是4和#乂的特征值的平方根。由于和是正交的，所以有 TIJJ=J,根据处理后的数据计算出立管的疲劳损伤。1.4本文的研究内容国内许多针对立管的研究工作主要都是围绕钻井立管开展的，对于生产 立管的研究尚少。本文在了解了大量的立管设计、分析现状的基础之上，以 用于生产的钢悬链线立管为例，进行立管的整体设计和分析工作。包括立管 的管壁厚度设计和分析与校核、强度分析与校核、立管疲劳寿命分析等几项 工作。管壁厚度的设计和强度校核依据美国石油协会规范API RP 2RD29的规 定进行。强度分析包括静态分析和动态分析。疲劳分析主要计算祸激振动引 起的疲劳和平台运动引起的疲劳两部分。本文将采用某一海域的实际风、浪、流条件作为设计条件，便于与实际 工程设计方案进行比较和分析。哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章立管的壁厚设计与分析深海立管的壁厚是决定立管承受安装和操作期间内、外荷载作用能力的 关键因素，也是影响工程费用的关键因素，因此合理适度选择立管的壁厚不 仅能够确保立管安装和操作期间内的安全运营，还能有效降低工程建设、安 装和运行费用加。深海立管最小壁厚的确定是进行海洋立管总体强度设计、祸激振动分析、 疲劳强度分析的基础。合理适度地选择钢管壁厚，是确保海底管道系统安全 运营的保障。本章将采用准静态方法完成立管的壁厚设计与分析工作。 2.1立管内力的计算立管内力的计算是立管壁厚设计的基础和前提。为计算立管的内力，本 节将立管视为受弯曲和拉伸的梁，同时运用忽略剪力作用的材料力学内力分 析方法，并依据悬链线的基本理论计算钢悬链线立管顶端和底端的弯矩和张 力。2.1.1悬链线的基本方程31悬链线是指一种具有均质、完全柔性而无延伸的链或索自由悬挂于两点 上时所形成的曲线。如图2.1所示为一悬链线形式钢质立管的基本形态。设 海底是水平的，水深为h (指悬挂点至海底的距离)，立管的下端与海底相切 于0点,顶端J受到平台张力r,作用，其水平方向分量与垂直方向分量分别 为r。和7V。/为链长（即立管长)，为链的水平投影长度，0为悬链线顶端 切线方向与水平面的夹角，为悬挂角（a = 90-没）。To 图2.1立管静力分析图因TV等于立管总重量（扣除浮力），而Tp等于底端水平张力，在立管各 点为常值，故有)1-2 (Tj sin = Tj. cosar = 0)1 = Ty Tj.cos0 = Tj.sma = To J式中：0立管在水中单位长度的重量取立管一微元段虚，则有:15 (2-2)及dTy =Q)dl(2-3)dyTodx 将（2-3)式对:c微分，则得 (2-4)Todx)或(2-5)1+dx: dx . l + (cfy/dxf To将（2-4)式积分两次可得到悬链线的理论方程: ch二 or(2-6) 式中:-悬链线参数， To(2-8)(2-7)根据（2-6)式，并通过力的平衡分析和演算可得到给定状态下立管各状态参 数之间的关系式：/ = ash = yjl + = yjy + lay 1 +之(29)=a In+ 1=ach 在水深和立管的单位长度重量G；给定下，给出悬链线参数a便可决定 全部立管状态参数。2.1.2悬链线相关参数的推导为了对立管的壁厚进行校核，需要推导出悬链线的相关参数。根据（2-1) 和（2-7)式可得悬挂角的计算公式：(2-11)“ (2-10)a = arctan(y)顶端张力:Tt=批根据材料力学可知，立管的底端弯矩为:(2-12)式中:EIPE立管横截面的弹性模量; I立管横截面的惯性矩； P立管底部的曲率半径。哈尔滨T.程大学硕士学位论文(1 + ,):可求得曲率半径公式为：1p = 一 “K其中：dyydx将式（2-6)分别代入（2-15)和（2-16)dy .(2-19)(2-20)(2-21)dyy =式，可得: xsh = shdxdy 1 , X 1 .A： t = xch = ch dx a a a a当x = 0时（即立管的底端位置)：由（2-17)和（2-18)式得到= 1分别代入（2_13)和（2-14)式，得：p = a则立管的底端弯矩公式（2-12)改写为：Mb-卫a由材料力学可知，管截面梁的弯曲应力公式为：M D(2-14)(2-15) (2-16)(2-17) (2-18)由曲线的曲率计算公式:(2-13)7 = 一X / 2由弹性力学可知，应力-应变关系为I a；Ee(2-22) 将式（2-21)代入（2-22)式，得 7 = E(2-23)M, D2 E EI 2 再将式（2-20)代入上式，可得立管底端弯曲应变计算公式：M. D EI D D e = -X =X X一 = El 2 a El 1 la立管底端的弯曲应变将用于立管的屈曲压溃应力校核。2.1.3立管的内力计算结果在进行内力计算之前，首先要根据已有数据确定立管的初始设计尺寸， 初始壁厚应根据工程经验和其他工程设计数据确定。初始设计壁厚给定后， 要对此壁厚进行静力分析和强度校核，如果初始壁厚不满足要求，要改变壁 厚的设计值，直至满足为止。满足静力分析和强度校核后的壁厚还要进行动 态和疲劳的计算分析，也要分别满足不同的设计要求。壁厚设计其实是整个 立管设计的核心工作，因此立管的壁厚设计是一个反复计算和分析的过程。 本文在这里直接给出最终设计结果，以便于后面工作的进行。本文的壁厚确 定为30.734画（1.21in),选用API_5L X65作为管材。立管的其他设计尺 寸见表2.1。(2-24)表2.1立管的设计参数 设计参数公制单位英制单位 -90. 01ft-27.立管顶端的纵向坐标 (坐标原点位于海面） 2407. 92m7900ft工作水深 20in508.立管外径 3250Dsi22. 4MDa管内设计压强 65ksi448MPa立管材料的屈服强度 15degISdeK顶端悬挂角单位Near本文根据给定的设计参数，利用悬链线理论和梁弯曲理论编写了 EXCEL 计算程序，完成了立管的内力计算。分别计算立管在安装状态、作业状态和 水压力测试状态的内力。对应于每一种状态都分别计算立管处于不同的位置 时的受力情况，包括近偏移（Near)、远偏移（Far)和未偏移（Neutral)位 置。计算结果见表2. 2-表2.4。表2. 2立管内力计算结果（安装状态）立管安装状态的位置Neutral 2727ft2522 deg14.12715. 00015.905 .07E+06lb1.06E+061. 04E+06 1.12E+06lb1. 09E+061. 07E+06 Ib-ft2. 394E+052. 589E+052.214E+05M,立管底端弯矩 Ib-ft1. 473E+051.509E+050. OOOE+00立管顶端弯矩 lb.669E+053. 394E+053.138E+05Tb立管底端有效张力 1.116E+06lb1. 072E+06L1. 093E+06立管顶端有效张力 表2. 3立管内力计算结果（作业状态）参数定义立管作业状态的位置平11LNeutralNearFara悬链线参数ft272725222948a顶端悬挂角deg15.00014.12715. 905Tv顶端张力的垂向分量lb1. 27E+061.25E+061.34E+06Tt顶端张力lb1. 31E+061.29E+062.214E+05Mb立管底端弯矩Ib-ft2.394E+052.589E+051.509E+05Mt立管顶端弯矩Ib-ft0.OOOE+001.473E+054.415E+05L立管底端有效张力lb4.084E+053.776E+051.342E+06Tt立管顶端有效张力lb1.315E+061.289E+061. 29E+06立管作业状态的位置参数定义单位NeutralNearFar悬链线参数2522ft2727顶端悬挂角15. 90Sdeg1S. 00014.127a顶端张力的垂向分量1h1.25E+061.34E+06.27R+0fi顶端张力lb1.29E+062.214E+051. 31R+06Tt立管底端弯矩Ib-ft2.394R+051.509E+052.589E+05Mh立管顶端弯矩Ib-ft.415E+050.OOOR+00.473E+05Mt立管底端有效张力1.342E+06Ih4. 084R+0Fi3.776E+05立管顶端有效张力lb1. 289E+061. 29E+061.315R+06哈尔滨工程大学硕士学位论文参数定义立管水压力测试状态的位置早位NeutralNearFaxa悬链线参数ft272725222948a顶端悬挂角deg15.00014. 12715.905Tv顶端张力的垂向分量lb2.15E+062.12E+062.19E+06Tt顶端张力lb2.23E+062.19E+062.28E+06M.立管底端弯矩Ib-ft2.394E+052.589E+052.214E+05Mt立管顶端弯矩Ib-ft0.OOOE+001.473E+051. 509E+05Tb立管底端有效张力lb6.925E+056.403E+057.486E+05Tt立管顶端有效张力lb2.230E+062.186E+062. 276E+06立管水压力测试状态的位置单位Neutral2522ft2727顶端悬挂角deg15.90515.00014.127a顶端张力的垂向分量2.19E+06lb2.12E+062.15E+06Tv顶端张力2.28E+06lb2.23E+062.19E+06Tt立管底端弯矩Ib-ft2.214E+05M.2.394E+052.589E+05Ib-ft1. 509E+050.OOOE+001.473E+05lb6.925E+056.403E+05.486E+05lb2.186E+062. 276E+062.230E+06立管的顶端和底端的受力情况一般是关注的重点，因此所列表格中只包 含了顶端和底端的计算结果，以上计算结果是采用静力法得到的。考虑到在 立管的管壁厚度的应力校核和强度分析时动态因素的影响，通常采用动力因 数法对静力法的结果进行处理，即在静力计算结果的基础上加一个动力因数。 根据相关规范，本文选用的动力因数为1.20。考虑了动力因数后的立管弯矩 和张力的计算结果见表2.5-表2. 7。17 表2. 5考虑动力因数后的内力结果（安装状态）参数定义苗 Jiff立管安装状态的位置NeutralNearFarMb立管底端弯矩Ib-ft2.873E+053.107E+052. 657E+05礼立管顶端弯矩Ib-ft0.OOOE+001.767E+051.811E+05Tb立管底端有效张力lb3.394E+053.138E+053. 669E+05Tt立管顶端有效张力lb1.311E+061.286E+061.339E+06立管安装状态的位置定义单位参数Neutral立管底端弯矩2. fiR7E+05Ib-ft2. 873E+05107R+05MH立管顶端弯矩Ih-ft1.767E+051.811E+050.OOOE+00M.立管底端有效张力lb3. 669E+053. 394E+0B138E+05立管顶端有效张力1.339E+06lb1. .IIIR+Ofi1.286E+06哈尔滨T.程大学硕士学位论文参数定义立管作业状态的位置毕1ENeutralNearFarM.立管底端弯矩Ib-ft2.873E+053.107E+052.657E+05Mt立管顶端弯矩Ib-ft0. OOOE+001.767E+051.811E+05Tb立管底端有效张力lb4. 084E+053. 776E+054.415E+05Tt立管顶端有效张力lb1.578E+061.547E+061.611E+06表2.7考虑动力因数后的内力结果（水压力测试状态）参数.定义立管水压力测试状态的位置毕世NeutralNearFar礼立管底端弯矩