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考虑平台运动的钢悬链立管涡激振动疲劳损伤分析
摘要
钢悬链立管是深海工程中最具应用前景的立管形式之一,在平台运动的影响下,
钢悬链立管与周围流体形成相对振荡来流,从钢悬链立管的涡激振动研究结果来看,
平台运动引起的相对振荡来流将会诱导钢悬链立管发生涡激振动,造成钢悬链立管疲
劳损伤特性变化,为更准确的预报钢悬链立管在深海油气开发过程中的疲劳损伤,需
要考虑平台运动对涡激振动的影响。本文基于尾流振子模型建立了钢悬链立管时域涡
激振动预报模型,考虑了平台运动与涡激振动之间的耦合作用,分析了钢悬链立管在
平台运动影响下的疲劳特性。本文主要工作及内容如下:
首先考虑顺流向与横流向涡激振动耦合作用,建立了双自由度尾流振子模型,对
不同质量比下的刚性圆柱涡激振动进行了验证工作。模拟结果表明在低质量比下,尾
流振子模型与双自由度的涡激振动试验结果拟合较好,验证了尾流振子模型模拟涡激
振动的可行性。
然后根据陵水项目的立管平台系泊数据建立了平台模型及立管系泊系统,对比了
钢悬链立管涡激振动时域疲劳预报结果与频域疲劳预报结果,结果表明,钢悬链立管
频域疲劳预报结果较为保守,忽略了横流向与顺流向涡激振动耦合作用,靠近平台端
的立管疲劳预报结果较为不理想;钢悬链立管时域疲劳预报结果考虑了双自由度涡激
振动耦合作用,其疲劳预报结果更具有科学性,为平台运动对涡激振动的影响作用提
供了参考对比。
最后基于平台运动对涡激振动的诱发机理,将平台运动等效为附加振荡流场,基
于OrcaFlex开发接口模拟了平台运动-尾流振子之间的耦合作用,分析了考虑平台运动
的钢悬链立管轴向应力和疲劳损伤变化。结果表明,随着流速的增加,钢悬链立管的
最大疲劳损伤与流速成正比关系,平台运动对钢悬链立管疲劳损伤的激励作用与钢悬
链立管在海流下的疲劳损伤处于同一量级;波浪方向与海流方向相同时,立管振动由
更高的模态起到主导作用,但立管的最大疲劳损伤相比较波浪与海流方向垂直时较小,
这说明了波浪与海流垂直时对钢悬链立管疲劳的激励作用更强;随着波高的增加和波
浪周期的减小,钢悬链立管的疲劳损伤受到平台运动的幅值和周期的联合影响而变大。
关键词:钢悬链立管;尾流振子模型;涡激振动;疲劳分析;时域预报
考虑平台运动的钢悬链立管涡激振动疲劳损伤分析
Abstract
Steelsuspendedchainriserisoneofthemostpromisingformsofriserindeep-sea
engineering.Undertheinfluenceofplatformmotion,thesteelsuspendedchainriserformsa
relativeoscillatingflowwiththesurroundingfluid.Fromtheresearchresultsofvortexinduced
vibrationofsteelsuspendedchainriser,therelativeoscillatingflowcausedbyplatformmotion
willinducevortexinducedvibrationofthesteelsuspendedchainriser,causingchangesinthe
fatiguedamagecharacteristicsofthesteelsuspendedchainriser,Toaccuratelypredictthe
fatiguedamageofsteelsuspensionchainrisersduringdeep-seaoilandgasdevelopment,itis
necessarytoconsidertheimpactofplatformmotiononvortexinducedvibration.Thisarticle
establishesatime-domainvortexinducedvibrationpredictionmod