自由站立式立管参数影响分析及最优设计

作     者：徐翔 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：顾继俊

授予年度：2021年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：自由站立式立管 理论模型 虚功原理 Newton-Raphson Orcaflex 最优配置 

摘      要：随着油气开发不断向深水、超深水领域迈进,自由站立式立管以其独特的立管结构类型,相较于其他立管形式,在立管与平台的解耦性、安装的机动性以及立管的使用寿命等方面具有非常显著的优势。自由站立式立管在不同控制参数影响下的力学响应对于自由站立式立管的设计、制造以及安装都具有非常重要的意义。本文主要的研究工作如下:(1)基于虚功原理建立了立管整体静力学求解模型,运用有限差分法进行控制方程离散,最后利用Newton-Raphson迭代算法对离散的方程进行求解,整个程序在MATLAB中进行编程求解。数值计算结果进行了收敛性分析并与Orcaflex进行了深入对比,结果显示整体形态误差为0.704%,因此该解模型具有良好的收敛性以及较高的准确性。(2)自由站立式立管控制参数对其力学响应的影响分析。控制参数包括平台跨距、柔性跨接管长度、浮筒浮力、浮筒埋置水深以及海流流速,力学响应包括立管整体形态、张力、弯矩及剪力。结果表明,弯矩和剪力变化趋势始终保持一致,弯矩和剪力对于整个立管系统影响较小。浮筒埋置水深和柔性跨接管长度对于柔性跨接管张力影响最大,浮筒浮力对于刚性立管张力影响最大,平台跨距对于立管整体受力影响较小。(3)利用Orcaflex对自由站立式立管进行动力学疲劳分析。研究了在某一海况下,自由站立式立管各项参数:平台跨距、柔性跨接管长度、浮筒浮力、浮筒埋置水深对于刚性主管疲劳寿命的影响。结果表明浮筒埋置水深、平台跨距和浮筒浮力增加会使刚性主管疲劳寿命提高,但柔性跨接管与刚性主管疲劳寿命无明显关系。(4)针对某目标油田,基于疲劳寿命和最大应力,利用Orcaflex动力学分析和疲劳分析,确定满足平台最大漂移、疲劳寿命和最大应力要求且浮筒埋置水深和平台跨距尽可能小的配置作为自由站立式立管的最优配置。结果表明,在该目标油田,该配置满足了刚性主管的疲劳寿命以及最大应力要求,且便于自由站立式立管安装。