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自由站立式立管顶部及底部连接装置试验系统的研制与数值模型优化

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中国海上油气 2018年第2期30卷 158-166页

作者：谭瑞龙段梦兰汪志明何宁雍倩文中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249 中国石油大学(北京)海洋工程研究院北京102249 海洋石油工程股份有限公司天津300451

基于相似理论及弹塑性力学相关理论与方法,自主建立了自由站立式立管顶部连接装置和底部连接装置的模型试验系统,包括加载装置、原理样机角度调节装置、鹅颈管张力角度调节装置、恒张力装置、弯矩加载装置及边界固定装置。通过整体数值... 详细信息

基于相似理论及弹塑性力学相关理论与方法,自主建立了自由站立式立管顶部连接装置和底部连接装置的模型试验系统,包括加载装置、原理样机角度调节装置、鹅颈管张力角度调节装置、恒张力装置、弯矩加载装置及边界固定装置。通过整体数值模拟得到最危险工况作为试验工况并给出试验加载边界,分别利用试验系统和局部数值模拟得到顶部连接装置和底部连接装置在最危险工况下的响应,并进行了对比分析,结果表明:该试验系统能够有效地测量自由站立式立管顶部及底部连接装置不同位置的静态及动态响应,利用试验结果验证后的数值模型能够很好地反映自由站立式立管顶部及底部结构静态及动态响应;在不同工况下,自由站立式立管顶部连接装置及底部连接装置最大应力出现在顶部连接装置与立管连接处,表明该顶部及底部连接装置还有进一步的优化空间。该试验装置的成功研制为深入研究自由站立式立管顶部结构及底部结构响应提供了一种新的手段和方法,有利于保障自由站立式立管系统的作业安全。

关键词：自由站立式立管顶部连接装置底部连接装置模型试验系统数值模型优化试验工况

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自由站立式立管总体运动疲劳分析

海洋工程 2011年第4期29卷 43-50页

作者：康庄李辉孙丽萍冯玮贾旭哈尔滨工程大学船舶工程学院深海工程技术研究中心黑龙江哈尔滨150001 中海石油研究中心北京100027

由于良好的疲劳特性,自由站立式立管(FSHR)正广泛应用于深海油气田的开发当中。首先根据设计参数建立FSHR详细的有限元模型,然后利用谱分析方法对FSHR进行总体运动疲劳分析,以确定FSHR总体设计参数是否满足运动疲劳要求。最后对工作于... 详细信息

由于良好的疲劳特性,自由站立式立管(FSHR)正广泛应用于深海油气田的开发当中。首先根据设计参数建立FSHR详细的有限元模型,然后利用谱分析方法对FSHR进行总体运动疲劳分析,以确定FSHR总体设计参数是否满足运动疲劳要求。最后对工作于相同环境下的钢悬链立管(SCR)进行总体运动疲劳分析,探讨哪种立管系统的疲劳性能更为优良。计算结果表明FSHR系统中刚性主管最大运动疲劳损伤出现在刚性主管顶部,FSHR总体设计参数满足规范要求;FSHR总体运动疲劳寿命要远大于SCR,体现了FSHR系统对浮体运动与刚性主管之间具有良好的解耦作用。

关键词：自由站立式立管谱分析方法疲劳分析钢悬链立管

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自由站立式立管参数影响分析及最优设计

自由站立式立管参数影响分析及最优设计

作者：徐翔中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：自由站立式立管理论模型虚功原理 Newton-Raphson Orcaflex 最优配置

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自由站立式立管总体设计与分析

船海工程 2011年第5期40卷 154-159页

作者：康庄李辉孙丽萍沙勇曹静哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 中海石油研究中心北京100027

介绍自由站立式立管(FSHR)系统中各构件设计原则及其总体响应分析方法,根据算例总体设计参数,建立FSHR总体有限元模型,进行总体强度与疲劳分析。计算结果表明,其设计参数在各种工况下均满足强度要求,其中百年一遇海流载荷工况为最危险工... 详细信息

介绍自由站立式立管(FSHR)系统中各构件设计原则及其总体响应分析方法,根据算例总体设计参数,建立FSHR总体有限元模型,进行总体强度与疲劳分析。计算结果表明,其设计参数在各种工况下均满足强度要求,其中百年一遇海流载荷工况为最危险工况;其设计参数满足疲劳要求,运动疲劳和VIV疲劳最大损伤均出现在刚性主管顶部。

关键词：自由站立式立管总体强度运动疲劳 VIV疲劳

纵向尺寸对自由站立式立管系统不稳定流动特性的影响

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油气储运 2011年第12期30卷 907-909,5页

作者：孔芋丁邓道明姜念琛王涛李清平宫敬中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室北京102249 中国石油天然气管道工程有限公司河北廊坊065000 中国石油北京油气调控中心北京100007 中海油研究总院北京100027

自由站立式立管系统的纵向尺寸对介质不稳定流动特性的影响是其结构设计中备受关注的问题,因此,采用OLGA软件模拟了不同水深条件下自由站立式立管系统管内流体的流动特性。结果表明:随着水深的增加,出现不稳定流动的流量范围向大流量方... 详细信息

自由站立式立管系统的纵向尺寸对介质不稳定流动特性的影响是其结构设计中备受关注的问题,因此,采用OLGA软件模拟了不同水深条件下自由站立式立管系统管内流体的流动特性。结果表明:随着水深的增加,出现不稳定流动的流量范围向大流量方向移动,立管底部压力的波动周期和幅度增大。探讨了出油管道长度,立管站立高度,柔性管长度、跨度对自由站立式立管系统管内流体流动特性的影响:出油管道越长,管内流体越易形成不稳定流动;在水深不变的条件下,小范围改变立管站立高度、柔性管长度和跨度对管内流体的流动特性影响不大。

关键词：海底管道自由站立式立管几何尺寸不稳定流流动特性

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南海自由站立式立管动态强度及疲劳分析

船舶工程 2016年第10期38卷 1-5,25页

作者：孙丽萍徐莹羊卫付森哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 中国船舶工业第七0八研究所上海200011

根据设计参数建立自由站立式立管系统模型,根据南海某油田环境参数校核立管各工况下的强度结果并进行疲劳分析,探讨自由站立式立管动态强度与疲劳特性并验证是否满足规范要求。结果表明,该立管设计满足规范中的强度与疲劳要求,且疲劳性... 详细信息

根据设计参数建立自由站立式立管系统模型,根据南海某油田环境参数校核立管各工况下的强度结果并进行疲劳分析,探讨自由站立式立管动态强度与疲劳特性并验证是否满足规范要求。结果表明,该立管设计满足规范中的强度与疲劳要求,且疲劳性能较好;立管等效应力最大处为立管主体顶部应力节下端;最危险浪流方向为沿立管向平台方向;立管主体应力水平受平台运动影响较小,受顶部张紧力及海流大小影响较大;疲劳损伤最大处位于立管主体顶部,且涡激疲劳损伤大于浪致疲劳损伤。

关键词：自由站立式立管强度分析浪致疲劳涡激疲劳

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深远海采矿自由站立式立管动力响应研究

深远海采矿自由站立式立管动力响应研究

作者：崔帅中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

深海多金属硫化物是一种具有重要经济价值和战略意义的矿物,但由于深海环境的复杂性和恶劣性,以及我国在深海采矿技术方面还存在很大的差距和挑战。为了保障国家的能源安全和经济利益,提高国际竞争力和影响力,必须加快深海采矿装备和技... 详细信息

深海多金属硫化物是一种具有重要经济价值和战略意义的矿物,但由于深海环境的复杂性和恶劣性,以及我国在深海采矿技术方面还存在很大的差距和挑战。为了保障国家的能源安全和经济利益,提高国际竞争力和影响力,必须加快深海采矿装备和技术的研究和发展。本论文设计了一种深远海采矿自由站立式立管系统,利用Orca Flex软件对其动力响应进行了全面分析,并基于改进的粒子群算法对其关键参数进行了优化。本文的主要工作和创新点如下:(1)借鉴了海洋油气开采中自由站立式立管的设计理念,将其应用于深远海采矿,设计了深远海采矿自由站立式立管系统的总体方案以及主体提升立管、跨接软管、顶部浮力筒、重力桩基、采矿船,集矿车等核心部件,并对其所受的海洋载荷和理论模型进行了分析。(2)建立了深远海采矿系统的仿真模型,并对其核心部件跨接软管和主体提升立管在极端海况条件下的动力响应进行了研究,得到跨接软管和主体提升立管沿弧长的等效张力与弯矩变化情况以及最大等效张力和最大弯矩,得出极端海况对系统的跨接软管与采矿船的连接部位、主体提升立管的顶部浮力筒连接段和立管末端影响较大。(3)对主体提升立管的动力响应特征、参数敏感性和参数正交性进行了详细的分析,得到了在1年、10年、100年海况下,主体提升立管沿弧长的侧向偏移、轴向偏移、等效张力和弯矩,以及最大侧向偏移、最大轴向偏移、最大等效张力和最大弯矩的时间历程变化情况,并得出顶部浮力筒浮力是影响主体提升立管动力响应特性的最主要因素,其次是主体提升立管长度和跨接软管长度,而顶部浮力筒位置的影响相对较小。(4)基于改进的粒子群算法,对深远海采矿系统的关键参数进行了优化,得到了优化后的系统方案,并对比分析了优化前后的结果,验证了优化方案的有效性。得到优化变量的最优解为跨接软管长度420m、主体提升立管长度2850m、顶部浮力筒浮力6400k N、顶部浮力筒位置9.52m。优化后主体提升立管的弯矩优化率达到29%,侧向偏移优化率达到26.5%,轴向偏移优化率达到66.3%。

关键词：深远海采矿自由站立式立管动力响应参数优化

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深海采矿自由站立式立管设计与可行性分析

深海采矿自由站立式立管设计与可行性分析

作者：李乐山中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

自由站立式立管是海洋资源运输立管的一个创新概念,该立管系统主要包含垂直刚性立管、跨接柔性立管和浮力筒等构件。在超深水区域的多金属硫化物开采中,传统的自由悬挂式提升系统因作业周期短、需要频繁宕机再定位而不再适合,自由站立... 详细信息

自由站立式立管是海洋资源运输立管的一个创新概念,该立管系统主要包含垂直刚性立管、跨接柔性立管和浮力筒等构件。在超深水区域的多金属硫化物开采中,传统的自由悬挂式提升系统因作业周期短、需要频繁宕机再定位而不再适合,自由站立式提升系统能提高采矿船的安全性且能起到解耦作用,但现阶段对于该类型立管尚缺乏经验分析和工程实例。本文的研究对象为基于采矿船的自由站立式扬矿系统,目的是通过系统的结构设计和有限元软件的仿真来验证所设计系统的可行性,具体研究内容和成果如下:为建立用于验证立管系统可行性的三维模型,依据API标准对刚性立管底部壁厚进行薄壁的外压压溃校核和多种载荷下的应力校核,并通过迭代试算确定最小的底部壁厚。为刚性立管从上至下设计了三种不同的壁厚,完成立管主体的参数设计。通过Orcaflex非线性有限元软件探究合适的结构布置,同时完成柔性立管长度的初步设计、浮力筒提供浮力的确定以及浮力筒尺寸参数的设计。为验证刚性立管的动态强度和疲劳特性,采用控制变量法并选取总共8种工况,针对刚性立管的静态等效应力以及海流、波流、采矿船漂移位置、立管顶部水深、浮力筒完整度情况等参数对立管动力学性能的影响进行了研究。研究结果表明,上述工况中百年一遇海流、十年一遇波流和采矿船远位漂移时立管的平均动态应力略超出规范要求,增大立管的顶部水深可以降低结构的动态最大应力。浮筒舱室进水对立管的动态强度和底部张力影响较大,为了避免对立管系统的安全性产生影响为浮筒设计了一种浮力自调节装置。根据动力响应分析结果,使用Orcaflex和数学软件MATLAB对刚性立管进行模态分析、疲劳评估和寿命分析。结果表明,刚性立管的运动疲劳寿命和轴向共振疲劳寿命符合设计要求,具有较高的可靠性,但涡激疲劳评估表示立管的VIV疲劳寿命较低,最危险点在立管顶部,因此对立管结构添加了优化设计。本文分析并阐述了自由站立式立管的动态力学特性以及立管结构的安全特性,可为其优化的深入研究以及设计方法提供相关参考依据。

关键词：深海采矿自由站立式立管有限元仿真可行性分析

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深水自由站立式立管壁厚及材料设计方法研究

海洋工程装备与技术 2016年第3期3卷 184-188页

作者：黄钰海洋石油工程股份有限公司天津300451

针对深水自由站立式立管壁厚及材料初步选择方法,分别从设计流程、设计载荷、设计工况等方面进行了研究,并在壁厚选择的计算原理上结合设计规范进行了深入的讨论。同时,简要介绍了自由站立式立管的结构组成及分类。最后,结合计算实例,... 详细信息

针对深水自由站立式立管壁厚及材料初步选择方法,分别从设计流程、设计载荷、设计工况等方面进行了研究,并在壁厚选择的计算原理上结合设计规范进行了深入的讨论。同时,简要介绍了自由站立式立管的结构组成及分类。最后,结合计算实例,对自由站立式立管的壁厚初步选择方法进行了介绍。

关键词：自由站立式立管壁厚深水应力