水下生产系统“M”型跨接管结构在地震作用下的动力响应分析
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第４ ４卷 第 ４期 ２ ０ １ ５年 ８月
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ＯＣ Ｅ ＡＮ ＥＮＧ Ｉ ＮＥ ＥＲＩ Ｎ Ｇ
Ｖｏ １ ． ４４ Ｎｏ． ４
Ａ ｕ ｇ ． ２ ０ １ ５
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ２ ７
水下生产系统 “ Ｍ” 型跨 接 管结 构 在 地 震 作 用 下 的动 力 响应 分 析
赵 南。 蒋 彩霞 ， 胡嘉 骏 ， 李 政 杰
（ 中 国船 舶 研 究 中心 ， 江 苏 无锡 ２ １ ４ ０ ８ ２ ）
摘
要： 由于跨接管在水下会受到地震波作用 ， 并且地震发生时跨接管将受 到地震 引起 的水 动力 的作用 ，
映。
是水 下 生产 系统 中最 为常 见 的结 构 之一 ｌ ｌ Ｊ ， 主要 承受 深海 高压 ， 地震 载荷 等极 端载 荷 的作用 ， 因此 跨 接管 的安全 运行 是海 上油 气安 全生 产 的重要 保 证 。地 震载荷 具有 持续 时 间短 、 频率高、 强 度大 的
特点， 容 易 引起跨 接管 结构 发生 强烈 振动 而破 坏 ，
备受 关 注并得 到 了蓬勃 发展 。刚性跨 接管 作为 连
接采 油树 和管 汇 、 管汇 和管 汇等 的主要 输油 通道 ，
原 点定 义 在跨 中位 置 ， 沿 轴 的最 大长 度 定 义 为 跨长； ｙ为水 平方 向 ， 垂 直于跨 接 管所 在平 面 ； ｚ轴 向上 为 正 ， 坐 标 系 符 合 右手 定 则 。地 震 波 将 以体 波 的形 式沿 Ｙ和 方 向输入 结 构模 型 ， 地 震 引起 跨 接管 周 围运 动 水 体 的 影 响 通 过 水 动 力 载 荷 反
】 ０９
嚣 翥
赵南 ， 等 ： 水 下 生 产 系 统 “ Ｍ ” 型 跨 接 管 结 构 在 地 震 作 用 下 动 力 响 应 分 析
１ １
船 脑 ２ （ ） 一
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Ｅ－ ｍ ａｉ ｌ ： ａ ０ ４０１ １ ５ ３１ ＠ １ ２６． ｃ ｏ ｍ
下假定： ①仅考虑地震引起 的水质点运动 ， 不考虑 海 流流速 ； ②地 面水 平运 动 时 ， 水体 速 度 为０ ｍ ／ ｓ ；
地 面垂 向运 动 时 ， 水体 速度 等 于地 面运动 速度 。 基 于上 述基 本 假 设 ， 跨 接 管 垂 直方 向 以及 水 平 方 向所受 的动 水作 用力 可表 达为
水下 生产 系 统不 仅 具 有 能 够 提 高采 收率 、 解 决 油井产 出物 处 理 和输 送 问题 ， 而且 受 海 平 面 影
响较 小 ， 能够适 用 于深水 或超 深水 油气 开发 ， 因此
１ 刚性 跨 接 管动 力分 析模 型
跨 接管结 构 的形 式 及 坐 标 系见 图 １ ， 坐标 系
一
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式 中：
） × 一 ） ｄ
， 一 ｃ 。 ￣ － ｐ Ｄ ｕ ‘ Ｉ Ｉ
— — 流体惯 性力 和拖 曳力 向量 ；
图１ 刚 性 跨 接 管 地 震 载 荷 下 的动 力 响应 分 析 模 型
地 震具 有时 间 短 、 频率高、 强度大 ， 短 时 间 内 管道周围流体产生剧烈往复运动的特点。因此在
考虑 地震载 荷下 结构动力 响应 中， 一 般 可 采 用 Ｍ ｏ ｎ ｓ ｏ ｎ公 式 确 定 载 荷 。 由于 地 面 的 运 动是 多维 的， 为将地震动 输入 的影 响引入 Ｍ ｏ ｉ ｆ ｓ ｏ ｎ方程 ， 李 明 高等 提 出地震作用 下 的动水作 用力模型 ， 引人如
因此 采用 有限元法计及地震波沿水平和垂 向两个方 向的载 荷输入 ， 考虑地震 作用下跨 接管 的动水 作用效应 、 深海水压 、 端部位移 以及跨接 管内部油 温的影响 ， 进行地震 作用下 的跨接管 动力响应分 析。结 构动力 响应分 析表明 ， 地震下 动水作用力 、 端部位移 、 深海水压 以及 跨接管 内部油温对跨 接管 的响应 幅值影 响较大 ， 研 究地
这 种潜 在 的地 震危 险在 跨接 管 的设计 、 制造 、 安 装
等阶段均应考虑。 目 前关于跨接管在深海高压 以 及地震 载荷 作用下 的动力 响应研 究较少 ， 文 献
［ ２ ］ 对埋 置海 底管 线地 震 作 用下 动 力 响应 做 出 了 详 细分 析 ， 但 仅 考虑 水 平 地 震 输 入 ； 文献 ［ ３ ４］ 就 地 震作 用下 引起 悬跨 管道 附近水 流 变化提 出了地 震 动水 作用 力模 型 ， 并 通过 实验 进行 了对 比论 证 。 文献［ ５ ］ 虽 然 计 及 了双 向地 震 载 荷 ， 但 是 没 有 考 虑 到深 海高 压对跨 接 管动力 响应 的影 响 。文 中采 用 有 限元软 件进 行 刚性 跨 接管 非线性 动力 分 析 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５—０ ３— ０ ５
修 回 日期 ： ２ ０ １ ５—０ ３— ２ ４
基金项 目 ： 国家 自然科学基金 （ ５ １ ２ ３ ９ ０ ０ ８ ） 第一作者简介 ： 赵 南（ １ ９ ８ ５一） ， 男， 博士生
研究 方向 ： 船 舶 及 海 洋 工 程 结 构 物 结 构 强 度
震 载 荷 作 用 下 跨 接 管 动 力 响 应 应 计 及 上 述 因素 。
关键词 ： 水下生产 系统 ； 跨接管 ； 动力 响应 ； 地震波 中图分类号 ： Ｐ ７ ５ １ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ４－ ０ ０ １ ０ ９ － ０ ５
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ＯＣ Ｅ ＡＮ ＥＮＧ Ｉ ＮＥ ＥＲＩ Ｎ Ｇ
Ｖｏ １ ． ４４ Ｎｏ． ４
Ａ ｕ ｇ ． ２ ０ １ ５
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ４ ． ０ ２ ７
水下生产系统 “ Ｍ” 型跨 接 管结 构 在 地 震 作 用 下 的动 力 响应 分 析
赵 南。 蒋 彩霞 ， 胡嘉 骏 ， 李 政 杰
（ 中 国船 舶 研 究 中心 ， 江 苏 无锡 ２ １ ４ ０ ８ ２ ）
摘
要： 由于跨接管在水下会受到地震波作用 ， 并且地震发生时跨接管将受 到地震 引起 的水 动力 的作用 ，
映。
是水 下 生产 系统 中最 为常 见 的结 构 之一 ｌ ｌ Ｊ ， 主要 承受 深海 高压 ， 地震 载荷 等极 端载 荷 的作用 ， 因此 跨 接管 的安全 运行 是海 上油 气安 全生 产 的重要 保 证 。地 震载荷 具有 持续 时 间短 、 频率高、 强 度大 的
特点， 容 易 引起跨 接管 结构 发生 强烈 振动 而破 坏 ，
备受 关 注并得 到 了蓬勃 发展 。刚性跨 接管 作为 连
接采 油树 和管 汇 、 管汇 和管 汇等 的主要 输油 通道 ，
原 点定 义 在跨 中位 置 ， 沿 轴 的最 大长 度 定 义 为 跨长； ｙ为水 平方 向 ， 垂 直于跨 接 管所 在平 面 ； ｚ轴 向上 为 正 ， 坐 标 系 符 合 右手 定 则 。地 震 波 将 以体 波 的形 式沿 Ｙ和 方 向输入 结 构模 型 ， 地 震 引起 跨 接管 周 围运 动 水 体 的 影 响 通 过 水 动 力 载 荷 反
】 ０９
嚣 翥
赵南 ， 等 ： 水 下 生 产 系 统 “ Ｍ ” 型 跨 接 管 结 构 在 地 震 作 用 下 动 力 响 应 分 析
１ １
船 脑 ２ （ ） 一
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一 ｃ 。 Ｄ （
Ｅ－ ｍ ａｉ ｌ ： ａ ０ ４０１ １ ５ ３１ ＠ １ ２６． ｃ ｏ ｍ
下假定： ①仅考虑地震引起 的水质点运动 ， 不考虑 海 流流速 ； ②地 面水 平运 动 时 ， 水体 速 度 为０ ｍ ／ ｓ ；
地 面垂 向运 动 时 ， 水体 速度 等 于地 面运动 速度 。 基 于上 述基 本 假 设 ， 跨 接 管 垂 直方 向 以及 水 平 方 向所受 的动 水作 用力 可表 达为
水下 生产 系 统不 仅 具 有 能 够 提 高采 收率 、 解 决 油井产 出物 处 理 和输 送 问题 ， 而且 受 海 平 面 影
响较 小 ， 能够适 用 于深水 或超 深水 油气 开发 ， 因此
１ 刚性 跨 接 管动 力分 析模 型
跨 接管结 构 的形 式 及 坐 标 系见 图 １ ， 坐标 系
一
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式 中：
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， 一 ｃ 。 ￣ － ｐ Ｄ ｕ ‘ Ｉ Ｉ
— — 流体惯 性力 和拖 曳力 向量 ；
图１ 刚 性 跨 接 管 地 震 载 荷 下 的动 力 响应 分 析 模 型
地 震具 有时 间 短 、 频率高、 强度大 ， 短 时 间 内 管道周围流体产生剧烈往复运动的特点。因此在
考虑 地震载 荷下 结构动力 响应 中， 一 般 可 采 用 Ｍ ｏ ｎ ｓ ｏ ｎ公 式 确 定 载 荷 。 由于 地 面 的 运 动是 多维 的， 为将地震动 输入 的影 响引入 Ｍ ｏ ｉ ｆ ｓ ｏ ｎ方程 ， 李 明 高等 提 出地震作用 下 的动水作 用力模型 ， 引人如
因此 采用 有限元法计及地震波沿水平和垂 向两个方 向的载 荷输入 ， 考虑地震 作用下跨 接管 的动水 作用效应 、 深海水压 、 端部位移 以及跨接 管内部油 温的影响 ， 进行地震 作用下 的跨接管 动力响应分 析。结 构动力 响应分 析表明 ， 地震下 动水作用力 、 端部位移 、 深海水压 以及 跨接管 内部油温对跨 接管 的响应 幅值影 响较大 ， 研 究地
这 种潜 在 的地 震危 险在 跨接 管 的设计 、 制造 、 安 装
等阶段均应考虑。 目 前关于跨接管在深海高压 以 及地震 载荷 作用下 的动力 响应研 究较少 ， 文 献
［ ２ ］ 对埋 置海 底管 线地 震 作 用下 动 力 响应 做 出 了 详 细分 析 ， 但 仅 考虑 水 平 地 震 输 入 ； 文献 ［ ３ ４］ 就 地 震作 用下 引起 悬跨 管道 附近水 流 变化提 出了地 震 动水 作用 力模 型 ， 并 通过 实验 进行 了对 比论 证 。 文献［ ５ ］ 虽 然 计 及 了双 向地 震 载 荷 ， 但 是 没 有 考 虑 到深 海高 压对跨 接 管动力 响应 的影 响 。文 中采 用 有 限元软 件进 行 刚性 跨 接管 非线性 动力 分 析 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５—０ ３— ０ ５
修 回 日期 ： ２ ０ １ ５—０ ３— ２ ４
基金项 目 ： 国家 自然科学基金 （ ５ １ ２ ３ ９ ０ ０ ８ ） 第一作者简介 ： 赵 南（ １ ９ ８ ５一） ， 男， 博士生
研究 方向 ： 船 舶 及 海 洋 工 程 结 构 物 结 构 强 度
震 载 荷 作 用 下 跨 接 管 动 力 响 应 应 计 及 上 述 因素 。
关键词 ： 水下生产 系统 ； 跨接管 ； 动力 响应 ； 地震波 中图分类号 ： Ｐ ７ ５ １ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ４－ ０ ０ １ ０ ９ － ０ ５