計及平臺運動響應譜的頂部張緊立管穩(wěn)定性曲線研究

孫麗萍，王建偉，戴紹仕

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

?

計及平臺運動響應譜的頂部張緊立管穩(wěn)定性曲線研究

孫麗萍，王建偉，戴紹仕

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對頂部張緊立管在不規(guī)則波作用下可能會失穩(wěn)的問題，研究了計及平臺運動響應譜的張緊立管穩(wěn)定性曲線。首先計算出了張力腿平臺的運動響應譜，依據(jù)該運動響應譜的特性，將不規(guī)則波波浪作用下張力腿平臺的運動響應以一系列規(guī)則波疊加的形式給出。并將這一系列的規(guī)則波輸入到頂部張緊立管的參激振動方程當中。同時，采用伽遼金法簡化控制方程，得到參激振動的馬蒂厄方程。最后，利用小參數(shù)法對其進行推導，得出了頂部張緊立管的穩(wěn)定性曲線公式。研究結果表明：平臺運動響應譜對頂部張緊立管的穩(wěn)定性曲線有著很重要的影響。

關鍵詞：不規(guī)則波；響應譜；張緊立管；馬蒂厄方程；穩(wěn)定性曲線

隨著淺水處的油氣逐漸被耗盡，對深水域的開發(fā)變得特別的重要。立管起著連接平臺和海底井口的作用。立管作為連接海面與海底的一種通道，是現(xiàn)代海洋工程結構系統(tǒng)中的重要組成部分，同時也是薄弱易損的構件之一。立管有很多的技術難題，尤其像超水深立管，它們主要應用在惡劣的海況條件下[1]。超深水立管有很復雜的動力特征。當參數(shù)激勵共振發(fā)生時，立管會由于過大壓力或發(fā)生明顯疲勞時，導致石油汽溢出并引發(fā)環(huán)境的污染和巨大的經(jīng)濟損失[2-3]。最近，研究主要集中于海洋結構的參數(shù)激勵的不穩(wěn)定性，例如船的橫搖參數(shù)激勵和spar平臺、張力腿的筋腱和立管的參數(shù)激勵[4-7]。在研究當中，假設施加的運動是簡諧的并且參考馬蒂厄方程。然而，在規(guī)則波的作用下研究參數(shù)激勵只能體現(xiàn)系統(tǒng)的一般運動，這與其在實際隨機海況下的運動是完全不同的。

參數(shù)激勵的不穩(wěn)定性確實會發(fā)生在不規(guī)則波中。近幾年中，多艘現(xiàn)代船型都經(jīng)歷了由于參數(shù)橫搖所引起的嚴重事故[8]。前人在做張緊立管的振動研究時，主要集中到筋腱或立管的研究中所討論的參數(shù)共振或馬蒂厄不穩(wěn)定性都是在假設張力振動或頂部運動為簡諧運動，只是輸入簡單的三角函數(shù)，或者是將不規(guī)則波簡化為一系列的規(guī)則波疊加的形式作為頂部張力的輸入函數(shù)。這樣不能真實的反應出立管的頂部張力的變化情況。實際情況是波浪作用在與頂部張緊力管直接連接的浮式平臺上。造成平臺的運動，之后平臺的運動在帶動頂部張緊力管的運動。本文則是計算了平臺在不規(guī)則波作用下運動情況，并將其作為頂部張緊立管張力的輸入函數(shù)，計算了頂部張緊立管的穩(wěn)定性曲線。同時，本文在計算過程中獨立推導出在不規(guī)則波作用下頂部張緊立管的穩(wěn)定性曲線的經(jīng)驗公式。

1理論及方法

1.1運動響應譜理論

張力腿平臺在遭遇不規(guī)則波作用時，平臺會發(fā)生垂蕩運動響應。垂蕩運動的譜密度為本文所研究的運動響應譜。垂蕩運動的運動響應譜計算公式為

(1)

本文中研究的不規(guī)則波譜密度為PM譜。在給出有義波高H1/3和波浪譜峰周期Tp的情況下，PM波譜的譜密度如圖1所示。S(ω)為

(2)

圖1　有義波高為6.5 m，譜峰周期為4.5 s時PM譜Fig. 1　Significant wave height is 6.5 m， peak period is 4.5 s

因此，在分別得到張力腿平臺的垂蕩運動的傳遞函數(shù)和不規(guī)則波PM譜時，可以直接得出張力腿平臺在相應的不規(guī)則波作用下垂蕩運動的運動響應譜。

不規(guī)則波可以由無限多個單元規(guī)則波疊加而成，所以在頻率由ωn～ωn+dω的平均波能，即波能譜密度為

(3)

如果dω足夠小，可以認為波浪頻率為ωn的單元規(guī)則波的波幅為an。則垂蕩運動的運動響應譜與單元規(guī)則波幅an和波浪頻率ωn的關系式:

(4)

(5)

式中：單元規(guī)則波的波頻ωn與不規(guī)則波對應的計算結果相同。

1.2頂部張緊立管運動響應分析

1.2.1頂部張緊立管振動模型的建立

當張力腿平臺遭遇不規(guī)則波作用時，張緊立管的頂部會隨著平臺的運動而運動。海洋立管頂端通過升沉補償裝置(張緊器)與平臺相連，張緊器有2個主要作用：1)給立管提供較大的靜頂張緊力，它提供的靜張緊力一般設為立管濕重的1.2～1.6倍；2)避免平臺升沉產(chǎn)生巨大的時變軸向力，實際上相當于一個連接立管和平臺的彈簧。如圖2所示。

圖2　平臺與立管的連接示意圖Fig. 2　The connection diagram between platform and riser

將頂部張緊立管假設成浸入水中的一根頂部具有很大張力的細長梁[10]。立管頂部鉸接平臺，立管底部固定在土壤中。立管放置于穩(wěn)定的均勻流中，并且波浪和流的方向不變。

根據(jù)基爾霍夫假說，頂部張緊立管的四階微分平衡方程為[10]

(5)

(6)

式中：D為管徑，h為壁厚，ρs為材料的密度，ρw為海水密度，ρi為內部流體密度，Ai為內徑面積。

式(5)等號左邊第2個非線性項為在考慮流的影響時，立管所遭遇的阻尼f(z,t)，定義為

(7)

式中：Cd為水動力阻尼系數(shù)。

式(5) 等號左邊的第4項為張力T對立管的影響，式中：T0為立管的靜張力，Δk為立管頂端的張力系數(shù)。因為張力變化頻率與平臺垂蕩頻率相同，則bn和wn分別為式(5)的計算結果，φn為隨機項。

1.2.2參激振動方程的建立

根據(jù)頂部張緊力立管的振動模型，式(5)的邊界條件給定如下

(8)

式中：vplat(t)為平臺的水平位移。

依據(jù)Galerkin的方法，設式(5)解的形式為

(9)

式中：sin(nπz/L)為模態(tài)分析中的特征函數(shù)，qn(t)為時間函數(shù)。

為了方便處理阻尼的平方項，對式(7)做線性化處理[11]，得

(10)

式中：Vnm為立管n階模態(tài)的運動速度。

將式(9)代入立管在不規(guī)則波和流聯(lián)合作用下的動力式(5)中，并結合立管在無外激勵下的動力平衡方程做進一步化簡，得

(11)

再將式(11)的兩邊乘以φn(z)后沿立管從z=0到z=L積分，化簡得

(12)

將式φn(z)=sin(nπz/L)代入式(12),并做進一步化簡得

(13)

式(13)為Hill型參數(shù)激勵振動平衡方程[12]。直接計算式(13)使結果出現(xiàn)長期項(即永年項)[13]，會出現(xiàn)較大誤差。

令qn(τ)=exp(-c′τ/(2M))g(τ)，將該式代入式(14)得：

(14)

取

(15)

則式(14)表示為

(16)

1.2.3參激振動方程的求解

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

式(19)的解必須是周期為π或2π的周期函數(shù)，即

(22)

式中：δ和ζ分別為隨機變量。

將式(22)代入式(19)得

(23)

(24)

(25)

同理，令m=k時，消去長期項，得到的邊界曲線為

(26)

n≠0時，式(19)的通解為式(22)。將式(22)代入式(20)得

(27)

對式(27)做化簡得

(28)

當m=2n時，式(28)消去長期項，得到的邊界曲線為

(29)

(30)

當m=k, m+k=2n, k-m=2n, m-k=2n時，消去式(30)出現(xiàn)的長期項，則計算得到隨機波浪條件下的穩(wěn)定性邊界曲線：

(31)

式中：m、k的下標1、2、3、4分別代表滿足以上4種條件時的整數(shù)值。

(32)

當m=k, m+k=2n, k-m=2n, m-k=2n時，消去式(30)中出現(xiàn)的長期項，可以得到的邊界曲線為

(33)

綜上所述，頂部張緊立管在不規(guī)則波作用下的不穩(wěn)定區(qū)域邊界曲線為

當y=0時，

(34)

當x=0時，

(35)

計算流程如圖3所示。

圖3　計算流程圖Fig. 3　The flow chart of calculation

2數(shù)值計算

2.1張力腿平臺水動力計算

頂部張緊立管的穩(wěn)定性邊界曲線與不規(guī)則波波譜和平臺垂蕩運動的傳遞函數(shù)有關，所以，利用式(34)求解頂部張緊立管的穩(wěn)定性邊界曲線，首先需要知道不規(guī)則波波譜和平臺垂蕩運動的傳遞函數(shù)。

圖4　三角形張力腿平臺面元模型Fig. 4　The mesh model of triangular tension leg platform

對于張力腿平臺的垂蕩傳遞函數(shù)的計算，采用SESAM程序軟件進行數(shù)值模擬，如圖4。選取浪向角90°時張力腿平臺的垂蕩運動傳遞函數(shù)，如圖5。

2.2考慮平臺運動響應譜下頂部張緊立管的穩(wěn)定性分析

在分別得到張力腿平臺所遭受的不規(guī)則波波譜曲線和垂蕩運動的傳遞函數(shù)后，應用式(37)、(38)計算得出頂部張緊立管的穩(wěn)定性圖,如圖5、6所示。

圖5　浪向角為90°時的垂蕩運動傳遞函數(shù)Fig. 5　The heave response amplitude when wave direction angle is 90°

圖6　隨機波浪下張緊立管穩(wěn)定性曲線Fig. 6　The stable curves of top tension risers in random waves

根據(jù)式(34)、(35)可以得出，張緊立管的穩(wěn)定性曲線與m有直接的關系，其中m為將平臺運動響應譜簡化為一系列規(guī)則波的對應頻率。

2.3運動響應譜對張緊立管的穩(wěn)定性影響

分別計算出以平臺運動響應譜(考慮RAO)和不規(guī)則波波譜(不考慮RAO)作為輸出函數(shù)的張緊立管穩(wěn)定性圖，如圖7所示。

出現(xiàn)如圖7所示2種不同的計算結果的最主要原因是在計算張緊立管穩(wěn)定性曲線時，參數(shù)bm作為輸出參數(shù)起到很重要的影響。當采用不考慮RAO的計算方法時，參數(shù)bm直接選取為不規(guī)則波簡化為一系列規(guī)則波的幅值；而當采用考慮RAO的計算方法時，參數(shù)bm選取為不規(guī)則波簡化為一系列規(guī)則波的幅值與平臺RAO的乘積。

圖7　是否考慮平臺RAO對張緊力管穩(wěn)定性的影響Fig. 7　The influence of RAO to the stable curves of top tension riser

3結論

綜合分析張力腿平臺在不規(guī)則波中的運動。計算了張力腿的參數(shù)激勵運動，得到了如下結論：

1)文中結合了張力腿平臺本身運動的RAO及不規(guī)則波波浪譜。得出了張力腿平臺的運動響應譜，并且利用一系列的規(guī)則波疊加的形式來表達運動響應譜。將該部分作為頂部張緊立管的輸入部分。

2)應用頂部張緊立管的振動模型，將得到的在不規(guī)則波作用下的響應譜輸入?yún)⒓ふ駝幽Ｐ彤斨?。獨立的推導出了一種可以直接得出張緊立管的穩(wěn)定性曲線的經(jīng)驗公式。

3)最后，在計算時考慮的頂部張緊立管的張緊力并不是直接利用不規(guī)則波波譜得出，而是利用與張緊立管連接的平臺特性(RAO)得出的運動響應譜作為張緊立管的輸出，這樣更為直接真實的反應出頂部張緊立管的張緊力的變化。這對評估張緊立管的穩(wěn)定性提出了更加符合實際情況的方法。

參考文獻：

[1]郭海燕, 傅強, 婁敏. 海洋輸液立管渦激振動響應及其疲勞壽命研究[J]. 工程力學, 2005, 22(4): 220-224.

GUO Haiyan, FU Qiang, LOU Min. Vortex-induced vibrations and fatigue life of marine risers conveying flowing fluid[J]. Engineering mechanics, 2005, 22(4): 220-224.

[2]CRUZ A M, KRAUSMANN E. Damage to offshore oil and gas facilities following hurricanes Katrina and Rita: an overview[J]. Journal of loss prevention in the process industries, 2008, 21(6): 620-626.

[3]YANG Hezhen, LI Huajun. Instability assessment of deep-sea risers under parametric excitation[J]. China ocean engineering, 2009, 23(4): 603-612.

[4]PATEL M H, PARK H I. Dynamics of tension leg platform tethers at low tension. Part I-Mathieu stability at large parameters[J]. Marine structures, 1991, 4(3): 257-273.

[5]TAO Longbin, LIM K Y, THIAGARAJAN K. Heave response of classic spar with variable geometry[J]. Journal of offshore mechanics and arctic engineering, 2004, 126(1): 90-95.

[6]CHATJIGEORGIOU I K, MAVRAKOS S A. Bounded and unbounded coupled transverse response of parametrically excited vertical marine risers and tensioned cable legs for marine applications[J]. Applied ocean research, 2002, 24(6): 341-354.

[7]KOO B J, KIM M H, RANDALL R E. Mathieu instability of a spar platform with mooring and risers[J]. Ocean engineering, 2004, 31(17/18): 2175-2208.

[8]HUA Jianbo, WANG Weihui. Roll motion of a roroship in irregular following waves[J]. Journal of marine science and technology, 2001, 9(1): 38-44.

[9]FRANCE W N, LEVADOU M, TREAKLE T W, et al. An investigation of head-sea parametric rolling and its influence on container lashing systems[J]. Marine technology, 2003, 40(1): 1-19.

[10]YANG Hezhen, XIAO Fei, XU Peiji. Parametric instability prediction in a top-tensioned riser in irregular waves[J]. Ocean engineering, 2013, 70: 39-50.

[11]CHANG Y. Nonlinear analysis of tension leg of tension leg platform[D]. Berkeley: University of California, 1986: 128.

[12]盛宏玉. 結構動力學[M]. 第2版. 合肥: 合肥工業(yè)大學出版社, 2007.

SHENG Hongyu. Structural dynamics[M]. 2nd ed. Hefei: Hefei University of Technology Press, 2007.

[13]唐友剛. 高等結構動力學[M]. 天津: 天津大學出版社, 2002.

TANG Yougang. Advancd structural dynamics[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2002.

Study of stability curves of a top tension riser under the effect of response spectrum of platform motion

SUN Liping, WANG Jianwei, DAI Shaoshi

( School of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：Regarding the problem of the potential instability of the top tension riser under irregular wave action, we obtained stability curves for the top tension riser under the effect of the platform's motion response spectrum. First, we calculated the motion response spectrum of the tension leg platform. Based on the features of the motion response spectrum, we superimposed the motion response of the tension leg platform on a series of regular waves. The regular wave series were then input into the top tension risers' parametrically excited vibration equation. By applying the Galerkin method, we simplified the control equation and obtained the parametrically excited Mathieu equation. Finally, we obtained the stability curve equations of the top tension riser by deducing the small parameters. The results prove that the platform's motion response spectrum is vital to the stability of the top tension riser.

Keywords：irregular wave; response spectrum; top tension riser; Mathieu equation; stability curve

中圖分類號：TE58; O322

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)03-326-06

doi:10.11990/jheu.201412075

作者簡介：孫麗萍(1962-)，女，博士生導師，教授;戴紹仕(1976-)，女，副教授.通信作者：戴紹仕，E-mail：daishaoshi@163.com.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11472087)；111深海工程創(chuàng)新引制計劃資助項目(B07019).

收稿日期：2014-12-29.

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160104.1427.006.html

網(wǎng)絡出版日期：2016-01-04.