深水顶张式立管全耦合动力响应及参数敏感性分析

㊀㊀文章编号:1005-9865(2019)01-0108-09

深水顶张式立管全耦合动力响应及参数敏感性分析

罗坤洪1,黄维平1,常㊀爽1,柳振海2

(1.中国海洋大学工程学院,山东青岛㊀266100;2.浙江省电力设计院,浙江杭州㊀310012)

摘㊀要:通过建立双套管与油管的全耦合运动控制方程,使用Newmark-β法,运用Matlab 软件进行编程,对模型进行非线性时域动力耦合响应分析,分析在一定波浪环境,不同扶正器布置间距下,立管各层相同节点处耦合动力响应,研究各层管之间发生碰撞和摩擦的最大扶正器布置间距;分析相同扶正器布置间距下,不同顶张力系数对耦合动力响应的影响㊂结果表明:在波浪作用下,全耦合动力响应分析比等效管更能展现各层管的实际动力响应;扶正器布置间距与顶张力系数的取值不同,会影响各层立管的耦合响应与相对位移,取值不当时,立管会发生碰撞㊂

关键词:顶张式立管;双套管;全耦合;动力响应;敏感性;扶正器;顶张力系数;布置间距

中图分类号:TE54㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀DOI :10.16483/j.issn.1005-9865.2019.01.013

收稿日期:2018-05-15

基金项目:国家自然科学基金项目(51179179;51239008)

作者简介:罗坤洪(1993-),男,山西人,硕士研究生,从事深水立管方面的研究㊂E-mail:lkh5210@ Fully coupled dynamic response and parameter sensitivity analysis of deepwater top tensioned risers

LUO Kunhong 1,HUANG Weiping 1,CHANG Shuang 1,LIU Zhenhai 2

(1.School of Engineering,Ocean University of China,Qindao 266100,China;2.Zhejiang Electric Power Design Institute,Hangzhou 310012,China)

Abstract :A nonlinear time domain dynamic coupling response analysis of the model is performed in certain wave environments and with different centralizer layout spacings,by establishing the fully coupled motion equations of the double casing and the tubing with the help of Matlab programming,using the Newmark-βmethod.Coupling dynamic response at the same node of the riser layer is performed to study the spacing of the maximum centralizer arrangement between collisions and frictions between layers of the riser;the influence of different top tension coefficients on the coupling dynamic response under the same arrangement spacing of the centralizers is also studied.It was found that the fully coupled dynamic response analysis can show the actual dynamic response of each layer of tubes,and more accurate than the equivalent tube;and the spacing of centralizer arrangement and the value of top tension coefficient are different and will affect the coupling response of each layer of risers.If the relative displacement is incorrect,risers will collide.Keywords :top tension riser;double casing;full coupling;dynamic response;sensitivity;centralizers;top tension coefficient;arrangement spacing 管中管顶张式立管被广泛应用于深水油气开发系统中,典型的管中管结构为最内层油管被同轴心的单层或多层套管保护,分别称为单屏(单套管)和双屏(双套管)立管[1]㊂目前,顶张式立管主要采用双套管结构㊂国内外学者对多层管的研究已经取得了大量的成果,如Luk 等[2]运用ABAQUS 的管中管有限元模型,将浮力罐与顺应导管由两个不同的子结构模型表示,研究了管中管子结构模型与等效复合管的应力与疲劳损伤;Man 等[3]㊁Yue 等[4]提出了一个数学模型,用于计算顶张式管中管模型由于重力㊁压力和热膨胀引起的每根立管的伸长率;Zhou 等[5]提出了新的方法,用于管中管模型的非线性静态有限元应力分析;康庄

第37卷第1期2019年1月海洋工程THE OCEAN ENGINEERING Vol.37No.1Jan.2019

等[6]运用Orcaflex 软件,进行了深水顶张式立管管中管结构强度参数敏感性分析;张崎等[7]对双层管模型进行非线性时域分析㊂

目前,在顶张式立管的设计分析中,工程界多采用等效管(按照截面刚度等效)进行模拟分析,未曾考虑立管间的耦合作用,以上国内外学者运用Orcaflex 与ABAQUS 立管分析软件对单屏顶张式立管特性进行了有价值的研究,仅分析了单套管立管的耦合特性㊂由于目前顶张式立管主要采用双套管结构,因此有必要对双套管立管的耦合动力特性进行研究㊂首先将运用Orcaflex 软件与Matlab

程序对三层立管的等效管进行分㊀图1㊀三层立管左侧剖面模型㊀Fig.1㊀Left side section model of three-layer riser 析对比,以验证程序的准确性;在此基础上,进行三层立管的非线性时

域动力耦合分析,分析不同扶正器布置间距下,立管各层相同节点处耦

合动力响应,绘制各层管同一节点处相对位移与立管间距比值的时程

图;分析不同顶张力系数下立管的全耦合动力响应,绘制立管耦合响应

时程图㊂

1㊀数学模型

建立如图1所示的立管模型,仅考虑立管承受波浪载荷,并且波浪

方向为x 方向㊂各层立管两端简支,坐标的零点位于立管轴线底端㊂

对于长细比较大的顶张式立管,可忽略其剪切变形[8]㊂因此,其横向弯曲振动问题,可采用Euler-Bernoulli 梁的复杂弯曲理论㊂各层管均

为均质等截面管,外层套管㊁内层套管与油管的管段微元运动方程可分

别表示为:

(EI )o ∂4x o (z ,t )∂z 4-T o ∂2x o (z ,t )∂z 2-ωo ∂x o (z ,t )

∂z +m o ∂2x o (z ,t )∂t 2+c o ∂x o (z ,t )∂t =f wave (z ,t )-f d (z ,t )(1)(EI )i ∂4x i (z ,t )∂z 4-T i ∂2x i (z ,t )∂z 2-ωi ∂x i (z ,t )∂z +m i ∂2x i (z ,t )∂t 2

+c i ∂x i (z ,t )∂t =f d (z ,t )-f c (z ,t )(2)(EI )y ∂4x y (z ,t )∂z 4-T y ∂2x y (z ,t )∂z 2-ωy ∂x y (z ,t )∂z +m y ∂2x y (z ,t )∂t 2

+c y ∂x y (z ,t )∂t =f c (z ,t )(3)式中:(EI )o ㊁(EI )i ㊁(EI )y 分别为外管㊁内管与油管的抗弯刚度;T o ㊁T i ㊁T y 分别为外管㊁内管与油管的有效张力,有效张力的求解公式为T =T tw -p i A i +p o A o ,T tw 为管壁中的真实张力,p i 为立管内部压强,A i 为立管内壁面积,p o 立管外部压强,A o 为立管外壁面积;w o ㊁w i ㊁w y 分别为外管㊁内管与油管的单位长度的湿重;m o ㊁m i ㊁m y 分别为外管㊁内管与油管的单位长度质量,包括立管内部流体㊁气体质量及附加质量;c o ㊁c i ㊁c y 分别为外管㊁内管与油管的结构阻尼;f wave (z ,t )为波浪作用于外管上的沿方向的水平波浪力;f d (z ,t )为外管与内管之间,当内管上的扶正器与外管接触时产生的分别作用于外管与内管的相互作用力;f c (z ,t )为内管与油管之间,当油管上的扶正器与内管接触时产生的分别作用于内管与油管的相互作用力;z 为水深坐标㊂

2㊀水动力载荷

由于同波长相比,顶张式立管的外径尺寸较小,立管的存在对波浪运动没有显著影响,因此可以采用莫里森方程求解外管所受的水平波浪力㊂

作用于外管任意高度z 处的水平波浪力包括水平拖曳力与水平惯性力,根据莫里森方程,外管任意高度z 处单位管长的水平波浪力为:f wave =12C D ρD o u x u x +C M ρπD 2o 4∂u x ∂t (4)式中:C D 为垂直于柱体轴线方向的拖曳力系数;C M 为惯性力系数;ρ为海水密度;D o 为外管直径;u x 和∂u x ∂t 分别为外管任意高度处波浪水质点的水平速度和水平加速度㊂在实际工作环境中,立管在波浪作用下发生振动,考虑流固耦合和非线性阻尼力的影响,参考文献[9],901第1期罗坤洪,等:深水顶张式立管全耦合动力响应及参数敏感性分析