尾流干涉下的柔性跨接管碰撞分析

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:forevil666
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近年来,油气勘探开发逐渐转向深水,自由站立式混合立管系统(FSHR)具有环境荷载不敏感、与平台运动不耦合、较好的疲劳性能、可预安装等优点,得到越来越多的应用。在FSHR系统中,浮式生产平台和水下浮力罐通过柔性跨接管连接,因此柔性跨接管将承受较大的水动力荷载和平台偏移荷载。当存在两个或多个柔性跨接管时,尾流干涉效应会使相邻柔性跨接管之间的间距减小,从而使碰撞概率增大。因此,开展尾流干涉下柔性跨接管的碰撞可靠性分析具有重要的研究价值和工程意义。首先,本文基于长度最小化和顶端张力最小化的原则,建立了柔性跨接管优化设计的临界长度方程,并对其准确性进行了验证。其次,基于质量-弹簧-阻尼体系,引入非线性杜芬振子项、双自由度振动耦合项和尾流干涉模型,创建了两根柔性跨接管的双自由度非线性流致振动模型(涡激振动VIV和尾流振荡WIO),并与最新试验结果进行了对比验证。然后,考虑尾流干涉和流致振动的影响,基于“不允许碰撞”的设计思路确立了柔性跨接管间距评估方法。最后,考虑柔性跨接管系统和环境荷载的随机性,建立了碰撞极限状态方程,并采用一次可靠性分析法(FORM)对碰撞可靠性进行了求解。研究表明,本文所建立的临界长度方程能够使柔性跨接管在不同水平跨距和潜没深度下均满足长度最小化和顶端张力最小化的设计要求,且顶张力对于平台偏移变化不敏感;本文所创建的流致振动模型能够与试验结果有较好的拟合效果,在尾流干涉效应的作用下,下游圆柱“锁振”区间的起始约化速度较上游圆柱增大,且顺流向不出现上游圆柱的“双峰”现象;随着约化速度的增大,下游圆柱顺流向的振动频率出现跃升和骤降的现象,表现出典型的低频高幅的WIO特性;随着初始间距的增大,串联和交错排列布置下的下游圆柱均逐渐表现为孤立圆柱的VIV特性,而增大横流向初始间距对于尾流干涉的抑制作用更加明显;将尾流模型施加到柔性跨接管整体有限元模型上-可较好地捕捉到相对间距的动态响应,Gumbel极大值分布和三参数Weibull分布对于相对间距的极值序列拟合效果较好;表面流速和初始阻力系数的减小、上端初始间距的增大都会导致柔性跨接管碰撞可靠指标的增大和失效概率的减小。
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