一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，其将钢悬链线立管模拟为大挠度曲线梁模型，将浮式平台的运动作为立管的顶端边界条件，采用P-y曲线法数值模拟钢悬链线立管与海床的相互作用过程，包括海床未变形时的线弹性刚度、立管离开海床时的吸力效应以及往复作用过程中的非线性刚度，建立钢悬链线立管与海床土的相互作用模型，结合浮式平台的运动方程，并与钢悬链线立管的模拟模型相结合，将之应用于钢悬链线立管触地点的动力响应分析。本发明改进了现有将海床模拟为线弹性弹簧或刚性海床的方法，能够准确模拟钢悬链线立管与海床的相互作用，提高了钢悬链线立管触地点动力分析的计算精度。
【专利说明】一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于深海油气平台的钢悬链线立管研究技术，具体涉及一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法。
【背景技术】
[0002]钢悬链线立管是深海油气开发的新型立管系统，1996年首条钢悬链线立管正式应用于深海油气资源开发，它在技术上和经济上比传统的柔性立管和顶张力立管系统有了长足的进步，成为深海油气资源开发的首选立管系统。
[0003]钢悬链线立管的一端与浮式平台连接并自由悬垂至海底，形成悬链线的形状。钢悬链线立管与海底接触的第一点称为触地点，从平台到触地点的一段称为悬垂段。钢悬链线立管的另一端与井口(生产立管)或海底终端(输运立管)连接，从触地点至井口或海底终端的一段管线称为流线段。流线段敷设在海床上，当悬垂段在波流和浮体运动，特别是慢漂运动的影响下，流线段将随着悬垂段的运动与海床发生相互作用，立管的往复运动及海底冲刷将在海底形成沟槽。海床土的滞回特性、吸力特性、摩擦以及沟槽阻力等对钢悬链线立管，特别是触地点的动态响应计算及疲劳分析有较大的影响，也是钢悬链线立管设计的控制要素。由于立管与海床的循环作用，土的强度及刚度特性不同于静载作用下的表现，循环载荷导致的土体孔隙水压力发展和有效应力降低，饱和黏土的强度和刚度特性会发展演变并逐渐成强度软化和刚度退化的趋势。由于土的粘性性质，海床土将阻碍流线段的拔出而表现出吸附作用，吸力的大小与立管的运动速度和二者相互作用次数以及土的重塑时间有关，也是最不确定的因素，它对立管的疲劳损伤影响较小，易引起极限应力的增大。
[0004]为了更实际地反映立管与海床土体的相互作用，必须正确理解和判断钢悬链线立管与海床相互作用系统的非线性，建立可靠的数学模型，目前关于钢悬链线立管触地点的动力分析方法存在以下问题:
[0005]I)将钢悬链线立管简化为直梁模型或集中质量模型。钢悬链线立管与锚链和柔性立管具有相似的悬链线形状，但是它的弯曲刚度远远大于柔性立管，而锚链不具有弯曲刚度，因此，不能采用锚链或柔性立管的分析方法。目前，钢悬链线立管的力学模型主要包括集中质量模型和直梁模型。钢悬链线立管的流线段是自由铺设在海床上的，因此，管线与海床土的接触是连续的，即海床土对管线的约束反力(包括支撑反力和吸力)也是连续分布的。目前的分析方法均采用在节点处(集中质量模型则只能作用在集中质量上)设置弹簧支撑来模拟连续分布的海床土约束反力，因此，是一种简化分析方法，其结果不够精确。可见这两种方法都无法模拟该区域。
[0006]2)海床土的线弹性约束模型或刚性海床。目前的分析方法，仅仅考虑管线向下运动时，海床土的支撑反力作用，用线性弹簧来模拟海床土的支撑反力，而不考虑管线向上运动时海床土的吸力作用和海床土的非线性刚度。钢悬链线立管在波浪作用和浮式平台运动的影响下将产生运动，这个运动将使钢悬链线立管的流线段产生竖直方向的往复运动，从而与海床发生相互作用。这个相互作用将使海床土液化并形成管沟，当管沟深度达到1.5倍的管径时，管沟将趋于稳定，深度不再发展。此时，管沟内将始终有液化的土存在。因此，海床土对流线段的运动将起到一定的阻碍作用。这个阻碍作用不仅仅体现在管线向下运动时，海床土的支撑反力作用，还体现在，当管线向上运动时，由于附着力引起的吸力作用。目前的分析方法，仅仅考虑管线向下运动时，海床土的支撑反力作用，用线性弹簧来模拟海床土的支撑反力，而不考虑管线向上运动时海床土的吸力作用和海床土的非线性刚度。
[0007]由此可见，现有的钢悬链线立管触地点动力响应分析方法没有考虑钢悬链线立管的大挠度对立管刚度的影响，没有考虑海床土支撑反力的非线性，没有考虑海床土吸力对钢悬链线立管流线段的约束作用，将连续分布的海床土约束力简化为集中约束反力，将连续的分布质量系统简化为集中质量系统。因此，所得到的分析结果精度不够高，与工程的实际情况存在着一定的差距。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，从而提高钢悬链线立管的计算精度，使钢悬链线立管的分析更加符合工程实际情况。
[0009]本发明的技术方案如下:一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，该方法采用大挠度曲线梁模型模拟钢悬链线立管的悬垂段；基于P-y曲线建立海床土的非线性刚度模型，建立海床土的吸力模型，与浮式平台的运动方程相结合，形成钢悬链线立管与浮式平台的整体运动分析模型，通过求解整体运动分析模型方程得到钢悬链线立管触地点动力响应。
[0010]进一步，如上所述的深海钢悬链线立管触地点动力分析方法，该方法p-y曲线法建立了海床土的非线性刚度模型，根据海床土吸力对钢悬链线立管动力响应的影响，建立了海床土的吸力模型，将之应用于钢悬链线立管触地点动力响应分析。
[0011]具体来说，该方法钢悬链线立管的流线段，基于p-y曲线法，建立钢悬链线立管与海床土双向作用，建立二者的相互作用模型，其模型公式为:
[0012]pr -( Mt ) -(Ar) -q + P = 0
[0013]其中P是海床土对立管单位长度的反力。
[0014]将作用过程区分为四个不同的路线(如图3所示)，具体算法如下:
[0015]
【权利要求】
1.一种深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:该方法采用大挠度曲线梁模型模拟钢悬链线立管的悬垂段；采用P-y曲线法数值模拟钢悬链线立管与海床的相互作用过程，该过程包括海床未变形时的线弹性刚度、立管离开海床时的吸力效应以及往复作用过程中的海床非线性刚度，与海床土特性相关的临界阻尼系数；并将钢悬链线立管顶端通过铰链与浮式平台相连，不考虑该处的扭矩，由于水深较大，该处的扭转对触地点区域的弯矩影响很小，可忽略不计；将钢悬链线立管的模拟模型与海床刚度模型相结合，通过求解钢悬链线立管运动方程得到钢悬链线立管触地点的动力响应。
2.如权利要求1所述的深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:该方法根据海床土刚度对钢悬链线立管动力响应的影响，基于P-y曲线法建立了海床土非线性刚度模型，将之应用于钢悬链线立管的动力分析。
3.如权利要求1所述的深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:该方法根据海床土吸力对钢悬链线立管动力响应的影响，建立了海床土的吸力模型，将之应用于钢悬链线立管的动力分析。
4.如权利要求1所述的深海钢悬链线立管动力响应分析方法，其特征在于:该方法采用大挠度曲线梁模型模拟钢悬链线立管的悬垂段的模型公式为:pr + (Br")" -(λr)' -q = O 其中，P为钢悬链线立管单位长度的质量，包括管中的流体质量； B为钢悬链线立管的截面抗弯刚度； r.为钢悬链线立管的加速度矢量； r为钢悬链线立管的坐标矢量； q为钢悬链线立管的分布外荷载，包括波浪和海流； λ为拉格朗日乘子，λ =T-Bk2; K为钢悬链线立管的曲率； T为钢悬链线立管的内部张力； '和"分别表示对坐标的一阶和二阶导数。
5.如权利要求1-4中任一项所述的深海钢悬链线立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:基于P-y曲线法，建立钢悬链线立管与海床土双向作用，建立二者的相互作用模型，其模型公式为: pr + （Br"）"— (λr)' — q + P = O 其中P是海床土对立管单位长度的反力，包括海床土支撑力和土吸力。 将作用过程区分为四个不同的路线(如图1所示)，具体算法如下:
6.如权利要求5所述的钢悬链式立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:仅考虑浮式平台的平动，忽略其转动惯性矩。
7.如权利要求5所述的钢悬链式立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:对上述方程进行求解，按照API RP2RD规范的要求将钢悬链式立管划分为若干个单元，采用梁单元插值函数计算单元的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，形成相应的系统总体矩阵。
8.如权利要求7所述的钢悬链式立管触地点动力响应分析方法，其特征在于:对钢悬链式立管与海床相互作用模型方程，采用时程分析法求解，得到钢悬链式立管触地点的加速度、速度、位移、弯矩、动张力的动力响应。
【文档编号】G06F17/50GK103902754SQ201210585261
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】白兴兰, 魏东泽, 高若沉 申请人:浙江海洋学院