浮式裝置升沉及橫蕩運動下海洋立管動力響應研究

婁 敏, 董文乙, 王 騰

(1.中國石油大學(華東),東營 257061;2.海洋石油工程(青島)有限公司,青島 266520)

浮式裝置升沉及橫蕩運動下海洋立管動力響應研究

婁 敏1, 董文乙2, 王 騰1

(1.中國石油大學(華東),東營 257061;2.海洋石油工程(青島)有限公司,青島 266520)

考慮浮式裝置升沉及橫蕩運動、立管內流體流動及立管外波浪荷載的共同作用,建立立管振動方程,采用有限元法進行求解,并分析升沉及橫蕩運動對海洋立管動力響應的影響規律。

海洋立管;浮式系統;升沉運動;橫蕩運動;波浪荷載

Abstract:Considering the floating system pitching and sway motion,internal fluid flowing and external wave load,the vibration equation of marine riser is established.The finite element method is implemented to solve the matrix equation of equilibrium.Influence rules of pitching and sway motion on the dynamic respose of the marine riser is analyzed.

Key words:marine riser;floating system;pitching motion;sway motion;wave load

0 前言

連接海洋平臺和海底設備(如井口、PLEM、總管)的海洋立管,長年所承受的荷載有風、浪、流、冰和地震等,其中最主要的荷載是波浪和海流。對于海洋立管在波浪力作用下的振動研究,國內外學者經長期努力,已取得較多成果。

Gardner與 Kotch[4]采用時域法研究海洋立管在波浪力作用下的動力響應,首先運用有限元法劃分單元,然后運用Newmark-β法在時域內進行積分來計算立管的振動響應;Patel and Jesudasen[5]采用Newmark-β法在時域內進行積分,并且在每個荷載步對剛度矩陣都進行重新計算。

Patel[6]等人于1984年分別采用頻域法及時域法對海洋立管在波浪力作用下的動力響應進行分析計算,頻域法中,對阻尼項進行了線性化處理,時域法中,用Newmark-β法進行積分計算,然后將計算結果與API[7]結果進行對比;1996年Li、Yousun[8]采用頻域與時域相結合的方法模擬了立管在波浪作用下的響應,既保證了計算精度又節省了計算時間。

雖然國內外專家學者對波浪荷載作用下海洋立管的研究較多,但是一般不考慮浮式裝置升沉及橫蕩運動對立管的影響。可實際上浮式裝置的升沉運動會引起立管張力的變化,橫蕩運動會改變立管上端邊界條件。所以,本文考慮浮式裝置升沉及橫蕩運動、管內流體流動及管外波浪荷載的共同作用,建立立管振動方程,采用有限元法進行求解,并分析升沉及橫蕩運動對海洋立管動力響應的影響規律。

1 數學模型

1.1 立管振動方程

假定本文研究的立管豎直地支撐在平臺上,長度為L,是均勻圓形截面,下端鉸接在萬向節上,上端有張緊器施加的預張力,可將其視為受張力的簡支梁。然后再引入如下假設:

(1)管內流體以速度V作恒定向上流動;

(2)立管為線彈性體。

2015年版《中華人民共和國藥典》一部規定蒼耳子的服用量為3～10 g以及中藥材攝入量為總攝入量的10%計（2015年版《中華人民共和國藥典》四部9302中藥有害殘留物限量制定指導原則），換算即為：Pb≤2.1 mg∕kg，Cd≤0.6 mg∕kg，Hg≤0.14 mg∕kg，As≤1.3 mg∕kg。同時《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》中規定的重金屬限量標準為As≤5.0 mg∕kg，Hg≤0.2 mg∕kg，Cd≤ 0.3 mg∕kg，Pb≤ 5.0 mg∕kg，則由表7中所得數據可知云南省8個地區蒼耳子的4種重金屬含量均未超標，這為滇產蒼耳子種植提供了科學依據。

系統的坐標系和波、平臺的運動方向如圖1所示,坐標系的原點定于下端鉸接點處,Z軸向上為正,波沿 X軸正方向傳播。

分析立管在 XOZ平面內的運動,考慮頂部張力、端口壓力、管內流體壓力、管外流體浮力以及溫度應力的影響,根據文獻[9～11],可得到如下立管振動方程:

圖1 立管示意圖

根據線性微幅波理論有

式中:z′=z-Hd,Hd為水深;Tw、H、k和ωw分別為波周期、波高、波數和波浪頻率。

1.2 浮式裝置運動

由于浮式裝置的質量與作用在浮式裝置上的波浪力遠大于立管的質量和作用在立管上的波浪力,我們假定浮式裝置的運動不受立管運動的影響,如此,則完全可由海洋波浪譜來確定駁船的運動。根據修正后的Pierson-Moskowitz設計譜,可得

式中:A為波譜振幅;B為波譜常數;Hs為有效波高。設波浪頻率范圍為w1≤w≤wN,將波譜分為 N個分量 Sη(wi),每個中心頻率 wi處的海面波浪振幅為

這樣,浮式裝置的升沉運動為

軸向附加張力可用浮式裝置的升沉運動來描述:

式中:e1、e2分別為橫蕩頻率系數、振幅比例系數;w=wp時主振幅是能量最高的入射波振幅,這樣,上端邊界的邊界條件可以寫成:

浮式系統橫蕩運動與入射波波幅成正比,不計一階搖擺運動,即

式中 Ku為立管上端與浮式系統連接處的抗轉剛度。

1.3 有限元離散

采用 Hermit插值函數 Nj(j=1,2,3,4)對方程(1)進行離散,得到立管運動方程的有限元形式:

式中:[M]為質量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;{F}為荷載向量。

對于振動響應,采用Newmark-β時程分析法對方程(9)進行求解即可得到。

2 程序驗證

為求解輸油立管動力特性及動力響應,將方程(9)用MATLAB編成程序。為驗證本文所用模型及計算程序的正確性,采用表1所示的深海輸油立管參數,并取內流流速V=0、軸向力 T=3 390 700 N、壓強 P=3 MPa,計算立管在波高 H=5 m、周期 T=10 s波浪作用下的立管動力響應,并與ANSYS計算結果進行比較。取 Z=1 495 m處點的位移進行對比,圖2(a)為本程序計算結果,位移幅值為0.0083 m;圖2(b)中為ANSYS計算結果,位移幅值為0.0085 m,兩者相差較小,吻合較好,表明本文所用模型及程序正確。

表1 海底管道的物理參數

3 實例計算與分析

在下述的計算與分析中,管道的物理參數同表1所示,海浪譜中取有效波高 Hs=10 m。

圖3中實線為不考慮浮式裝置升沉運動的立管波浪荷載下動力響應,虛線為考慮浮式裝置升沉運動的立管動力響應。圖3(a)、(c)分別是 Z=500 m及1 490 m處的相對位移時程曲線,從圖中可以看出考慮升沉運動的立管動力響應要比不考慮升沉運動的立管動力響應強烈。對于振動頻率,從圖3(b)、(d)可以看出,升沉運動對立管振動頻率影響不明顯。

圖4中實線為不考慮浮式裝置橫蕩運動的立管波浪荷載下動力響應,虛線為考慮浮式裝置橫蕩運動的立管動力響應。圖4(a)、(c)分別是 Z=500 m及1 490 m處的相對位移時程曲線,從圖中可以看出在 Z=500 m處,考慮橫蕩運動與不考慮橫蕩運動的立管動力響應差別不大,而在 Z=1 490 m處,即立管的上端,考慮橫蕩運動的立管動力響應明顯比不考慮橫蕩運動的立管動力響應強烈。對于振動頻率,從圖4(b)、(d)可以看出,升沉運動對立管振動頻率影響也不明顯。

4 結論

本文考慮浮式裝置升沉及橫蕩運動、管內流體流動及管外波浪荷載的共同作用,建立立管振動方程,采用有限元法進行求解,并分析升沉及橫蕩運動對海洋立管動力響應的影響規律。結果表明:(1)升沉運動對立管整個長度都產生影響,并使得立管動力響應增強,但對振動頻率影響不明顯。(2)橫蕩運動對立管上端的影響較大,使得立管動力響應增強,但對振動頻率影響也不明顯。

圖4 浮式裝置橫蕩運動對立管動力響應的影響

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Study on Danaymic Response of Marine Riser in Floating System with Pitching and Sway Motions

LOU Min1, DONG Wen-yi2, WANG Teng1
(1.China University of Petroleum(East China),Dongying 257061,China;2.Offshore Oil Engineering(qingdao)Co.,Ltd,Qingdao 266520,China)

O313 P75

A

1001-4500(2010)04-0014-05

2009-06-24; 修改稿收到日期:2010-05-10

山東省自然科學基金項目(2009ZRA05080)

婁 敏(1981-),女,講師,博士,主要從事海洋工程教學及研究工作。