波频和慢漂运动共同作用下的钢悬链线立管疲劳损伤研究

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随着油气资源开发逐步走向深海,立管系统的设计与使用要求也越来越高。在复杂的风浪流海洋环境中,钢悬链线立管(SteelCatenaryRiser,SCR)的疲劳损伤主要是由浮体的波频运动和慢漂运动所致,随着海水深度的增加,慢漂运动的影响逐步增大。波致疲劳的研究已经成熟,而慢漂运动,尤其是慢漂与波频组合作用下的立管疲劳还少有涉及。因此,分析研究波频与慢漂运动共同作用下的钢悬链线立管疲劳损伤具有重大的意义。
  本文针对钢悬链线立管疲劳损伤最为严重的触地点区域和顶部连接部位分别进行研究。对于触地点区域,本文提出了波频和慢漂运动共同作用下SCR疲劳损伤的简化计算方法——位置组合叠加法,基于该方法对某海域500m水深的浮式系泊系统进行了疲劳损伤分析。对于立管顶部的柔性接头连接,本文采用等效应变法计算柔性接头疲劳寿命和敏感性分析。本文主要工作如下:
  (1)提出了波频和慢漂运动共同作用下钢悬链线立管疲劳损伤的简化计算方法。基于浮式平台慢漂运动概率分布选取若干典型慢漂位置进行波频运动作用下钢悬链线立管动力响应分析;根据钢悬链线立管运动位置变化特征,截取各个慢漂位置对应的波频应力时程叠加到慢漂应力时程上,得到波频和慢漂运动的组合应力时程响应;编写基于雨流计数法、S-N曲线、Palmgren-Miner线性累积损伤准则的MATLAB程序计算立管各节点疲劳损伤。
  (2)基于本文方法,对某海域500m水深的立管进行了疲劳损伤分析,通过与全耦合法、权重组合叠加法以及波频和慢漂疲劳损伤简单相加法的计算结果进行对比分析,发现本文所提的疲劳简化计算方法具有较好的计算精度和计算效率。结合海洋环境特征,本文还进一步系统地分析了平台位置(区域设定系数)、土壤参数(吸力比、抗剪切强度)、波流参数(波浪高度、波浪周期、海流速度)对钢悬链线立管疲劳损伤的影响。
  (3)基于有限元软件动力分析,采用等效应变法计算柔性接头疲劳寿命。提取立管顶端1m处截面的轴力-时间历程作为柔性接头有限元计算的疲劳载荷;建立ABAQUS有限元模型计算柔性接头最大应变;利用等效应变法计算柔性接头疲劳寿命;并对影响柔性接头疲劳寿命的参数进行敏感性分析。
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