钢悬链线立管清管过程力学模拟分析

作     者：喻培丰 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：张仕民

授予年度：2018年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：钢悬链线立管 物理模型 有限元分析 动力响应 清管器 

摘      要：钢悬链线立管(steel catenary riser,SCR)出现于20世纪80年代,由于钢悬链线立管成本低,能适应高温高压的海洋环境,使它成为海洋管道工程的重点研究对象。清管器(pig)是管道维护,提高油气传输效率的重要工具,不同作业环境需要具体的清管理论作指导。研究深水钢悬链线立管清管过程的动态特性对于指导深海清管作业具有重要的意义。本文基于有限元软件,考虑悬链线的几何非线性和管土接触非线性,对简单钢悬链线立管进行建模,并与悬链线理论所得的计算结果对比,结果较为吻合。基于有限元模型,分析了立管在波浪海流载荷和浮式平台运动作用下的动力响应,模拟结果与已经研究的结果相比,应力大小和整体变化趋势均合理,在重力和浮力作用下,两端铰接的SCR会呈现简单悬链线的形状,在海浪海流,浮式平台运动的影响下,立管各点都会呈现不同程度的动力响应,其运动会随着立管的位置呈现一定规律的变化。在立管清管过程的模拟中发现,若无海洋环境的影响,清管器对于立管的影响会呈现出局部突出的现象,在清管器作业位置出现应力集中,但是若考虑海洋环境的影响,清管器对SCR的影响则并不突出,海浪海流与浮式平台运动仍是主要的影响。基于混合实验截断设计和变态相似两种理论,对SCR进行了物理模型设计,为大型管道进行小尺寸实验提供参考。