緩波形鋼懸鏈立管時(shí)域動(dòng)力與疲勞分析

，，，

(1.中國船舶工業(yè)集團(tuán)第七〇八研究所，上海 200000； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

緩波形鋼懸鏈立管在工程中的應(yīng)用近年來剛剛起步[1]，為保證立管工作的安全性，進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)分析尤為重要。此外，由于浮力材的添加，立管構(gòu)型更加復(fù)雜，此前對(duì)不同構(gòu)型的鋼懸鏈立管計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)型的立管強(qiáng)度與疲勞等性能有較大的不同。這表明具有較復(fù)雜構(gòu)型的緩波形鋼懸鏈立管的強(qiáng)度與疲勞等特性將表現(xiàn)出不確定性，其相比于簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管在性能上的具體變化也需要在設(shè)計(jì)分析中重點(diǎn)考慮。因此，為保證緩波形鋼懸鏈立管工作的安全性并系統(tǒng)研究其相對(duì)于簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管的性能變化，基于懸鏈線法、集中質(zhì)量法及S-N曲線法對(duì)緩波形鋼懸鏈立管進(jìn)行強(qiáng)度與疲勞等特性分析。采用OrcaFlex軟件在時(shí)域范圍內(nèi)對(duì)簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管以及緩波形鋼懸鏈立管進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，包括立管靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)度、疲勞等方面，探討緩波形鋼懸鏈立管整體特性及優(yōu)勢(shì)，并采用控制變量的方法分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)緩波形立管整體強(qiáng)度和疲勞特性的影響。

1 鋼懸鏈立管動(dòng)力分析方法

1.1 立管力學(xué)模型

管線分析采用的模型為集中質(zhì)量模型，該方法計(jì)算速度較快，易收斂。

管線的時(shí)域動(dòng)力方程表達(dá)式為[5]

(1)

式中：y為各節(jié)點(diǎn)位移；M為管線集中質(zhì)量矩陣；B為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F(t)為管線所受外力，包括流體力、重力、管土接觸力，對(duì)于緩波形立管，還包括浮力材產(chǎn)生的浮力等。

海洋立管在海洋環(huán)境中受到的海流、波浪等流體力常用半經(jīng)驗(yàn)的廣義莫里森方程計(jì)算[6]。管線切片ds所受流體力可以表示為

(2)

對(duì)海床的模擬采用線性無質(zhì)量彈簧，當(dāng)立管與海床相接觸時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受到的海床垂向作用力為兩側(cè)單元受力之和的一半，可表示為

(3)

式中：ksb為土體剛度；Asbi為單元i與海床的接觸面積，Asbi=Dli；i為節(jié)點(diǎn)兩側(cè)單元；dsb為立管中心滲入海床的深度，dsb=(D/2)-y。

1.2 疲勞分析方法

工程結(jié)構(gòu)的疲勞分析一般采用兩種方法：S-N曲線法和斷裂力學(xué)法[7-8]。這里采用S-N曲線法進(jìn)行疲勞分析。

S-N曲線描述了疲勞強(qiáng)度S和截止材料破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系。若在固定應(yīng)力幅值S的循環(huán)作用下，將結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)記為N，則S-N曲線表達(dá)式為

N=aS-m

(4)

式中:a和m為材料參數(shù)，在試驗(yàn)過程中獲得。對(duì)表達(dá)式兩側(cè)取對(duì)數(shù)，其形式近似為一條直線

lgN=lga-mlgS

(5)

應(yīng)力幅值S需要經(jīng)過壁厚糾正因子和應(yīng)力集中系數(shù)的修正，即

(6)

式中：S0為公稱應(yīng)力幅；SCF為應(yīng)力集中系數(shù)；tref為參考壁厚；k為壁厚指數(shù)。對(duì)于S-N曲線的選取，已有大量的工程經(jīng)驗(yàn)，可查詢相關(guān)規(guī)范選取合適的S-N曲線。

2 立管模型與環(huán)境載荷

2.1 立管參數(shù)

選取相同尺寸的緩波形鋼懸鏈立管和簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管進(jìn)行對(duì)比，具體參數(shù)見表1、2。

表1 緩波形鋼懸鏈立管參數(shù)

表2 簡(jiǎn)單懸鏈線參數(shù)

2.2 平臺(tái)參數(shù)

在對(duì)緩波形立管性能的分析中，采用半潛平臺(tái)作為浮體，主要尺寸參數(shù)見表3。

2.3 強(qiáng)度分析環(huán)境參數(shù)

風(fēng)浪流參數(shù)見表4、表5。

2.4 疲勞分析環(huán)境參數(shù)

浪致疲勞分析的波浪統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表6。

表3 半潛平臺(tái)主要參數(shù)

表4 波浪參數(shù)

表5 洋流極限流速 m/s

表6 長(zhǎng)期波浪分布統(tǒng)計(jì)表

3 立管動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)度分析

3.1 靜態(tài)分析

在對(duì)比分析緩波形與簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管的動(dòng)態(tài)特性之前，先簡(jiǎn)要分析其靜態(tài)特性。在OrcaFlex軟件中利用懸鏈線法計(jì)算得到了2種立管的靜態(tài)構(gòu)型、張力、彎曲和應(yīng)力特性曲線，見圖1。

可以發(fā)現(xiàn)緩波形立管通過在立管中部添加浮力材，實(shí)現(xiàn)中部的凸起，這與簡(jiǎn)單懸鏈線立管顯著不同。通過對(duì)比有效張力，發(fā)現(xiàn)緩波形立管頂部張力比懸鏈線型小很多，這是由于緩波形立管的頂部只需支撐頂部到波谷段立管的濕重，因此，在由于水深、管徑等因素造成的立管頂部張力過大時(shí)，可采用緩波構(gòu)型以減小平臺(tái)的負(fù)荷。另外，立管彎矩與其曲率直接相關(guān)，相比懸鏈線構(gòu)型，緩波形立管彎矩更大，這與浮力材布置密切相關(guān)。緩波形立管的頂部最大等效應(yīng)力比懸鏈線構(gòu)型小，為198.97 MPa，而簡(jiǎn)單懸鏈線立管最大等效應(yīng)力為211.02 MPa，由此可見，緩波構(gòu)型可以緩解立管頂部應(yīng)力節(jié)的應(yīng)力水平。

3.2 整體動(dòng)態(tài)分析

在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上對(duì)緩波形鋼懸鏈立管與簡(jiǎn)單鋼懸鏈立管進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)分析，得到立管有效張力、彎矩和等效應(yīng)力的最大值、最小值和平均值，見圖2～4。

對(duì)于緩波形立管，管線頂部的有效張力、彎矩和應(yīng)力水平都有顯著變化；浮力材部分運(yùn)動(dòng)幅值較大，該處由于浮力材的添加，所受流體力比較大，通過圖3和圖4可以看出，浮力材部分彎矩以及等效應(yīng)力變化比較劇烈；但緩波形立管觸地點(diǎn)位于沿管長(zhǎng)2 340 m左右，觸地點(diǎn)的有效張力、彎矩以及等效應(yīng)力變化很小。

觸地點(diǎn)位于沿管長(zhǎng)1 780 m左右，該處有效張力、彎矩和等效應(yīng)力變化劇烈，與緩波形立管形成鮮明對(duì)比，因此，緩波形鋼懸鏈立管能夠?qū)τ|地區(qū)域形成保護(hù)，使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)觸地區(qū)域的影響有所減小，同時(shí)減小立管頂部的動(dòng)態(tài)載荷與應(yīng)力。

立管在平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)下不同位置處的構(gòu)型見圖5。可以發(fā)現(xiàn)在觸地點(diǎn)附近，緩波構(gòu)型的變化幅值比簡(jiǎn)單懸鏈線型小很多，緩波構(gòu)型在平臺(tái)慢漂作用下可以產(chǎn)生一定程度的伸縮，使觸地點(diǎn)得到保護(hù)，對(duì)平臺(tái)慢漂的適應(yīng)性更好。

3.3 不同構(gòu)型立管的強(qiáng)度特性

對(duì)于緩波形鋼懸鏈立管，其浮力材的參數(shù)，主要包括浮力材段位置和長(zhǎng)度對(duì)立管的整體性能具有一定的影響。

將緩波形立管第一段長(zhǎng)度，即立管從平臺(tái)處至浮力材起始處的長(zhǎng)度設(shè)為1 265 m、1 465 m和1 665 m，計(jì)算結(jié)果見圖6。

由圖6可見，隨著第一段立管長(zhǎng)度的增加，立管頂部產(chǎn)生更大的有效張力；隨著浮力材位置降低，波形變緩，觸地點(diǎn)之前的懸鏈線變短，使得浮力材與第三段交接處的有效張力減?。徊ㄐ巫兙徥沟昧⒐芨魈幥蕼p小，立管彎矩變小，而頂部彎矩變化不大。立管等效應(yīng)力的變化與有效張力和彎矩的變化緊密相關(guān)，在立管頂部到構(gòu)型波谷之前，浮力材位置的降低使應(yīng)力變大；在構(gòu)型波谷之后，波形變緩導(dǎo)致的彎矩減小，使得等效應(yīng)力隨之減小。

浮力材長(zhǎng)度分別為350 m、455 m和550 m的動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見圖7。

可以發(fā)現(xiàn)隨著浮力材長(zhǎng)度的增加，使其懸跨段長(zhǎng)度和跨距變長(zhǎng)，構(gòu)型波峰位置升高，波形變大，波谷和觸地點(diǎn)處彎曲程度有所增強(qiáng)。立管的頂部張力隨浮力材段的長(zhǎng)度的增加有所減小，并使浮力材段末端的有效張力增加，并且峰值后移。對(duì)于立管的彎矩和等效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)單純地增加浮力材的長(zhǎng)度，不能改善其彎曲性能，對(duì)應(yīng)力極值的影響也較小，只是使波形更大，立管更長(zhǎng)。

總之，通過調(diào)節(jié)浮力材的位置，能夠顯著改變立管頂部、浮力材段以及觸地點(diǎn)的強(qiáng)度水平；調(diào)節(jié)浮力材的長(zhǎng)度能夠改變波形的大小，但對(duì)強(qiáng)度水平影響較小。

4 緩波形立管整體疲勞特性分析

4.1 緩波形與簡(jiǎn)單懸鏈線形疲勞對(duì)比分析

緩波形鋼懸鏈立管與簡(jiǎn)單懸鏈線立管的疲勞性能計(jì)算工況為模擬時(shí)間1 200 s。為了使結(jié)果更具可比性，立管的網(wǎng)格劃分盡量一致，在觸地點(diǎn)附近的網(wǎng)格密度相同，疲勞壽命分布見圖8。

緩波形鋼懸鏈立管的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)主要位于立管頂部應(yīng)力節(jié)處、浮力材段和觸地點(diǎn)。簡(jiǎn)單懸鏈線構(gòu)型的立管，其疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)是頂部應(yīng)力節(jié)處和觸地點(diǎn)處，并且觸地點(diǎn)的疲勞損傷尤為明顯。觸地點(diǎn)附近，簡(jiǎn)單懸鏈線立管疲勞壽命為44.86年，緩波構(gòu)型立管疲勞壽命為388.65年，相比之下，緩波構(gòu)型的疲勞壽命是簡(jiǎn)單懸鏈線構(gòu)型的將近9倍；在頂部應(yīng)力節(jié)附近，簡(jiǎn)單懸鏈線構(gòu)型立管疲勞壽命為2 345.01年，緩波構(gòu)型疲勞壽命為3 355.09年，緩波構(gòu)型在頂部應(yīng)力節(jié)附近的疲勞性能也有很大提升?？梢姡彶?gòu)型大大減小了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)觸地點(diǎn)的影響，使得觸地點(diǎn)疲勞壽命大幅提升，同時(shí)頂部應(yīng)力節(jié)附近的疲勞性能提高。

4.2 緩波形鋼懸鏈立管疲勞損傷特性

對(duì)立管損傷影響最大的5個(gè)工況下的總體疲勞損傷和觸地點(diǎn)處的疲勞損傷見圖9。

由圖9a)可見，隨著有義波高的增加，船體運(yùn)動(dòng)對(duì)立管頂部造成的疲勞損傷越明顯，這是因?yàn)閼?yīng)力節(jié)直接與船體相連，船體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度對(duì)立管頂部的疲勞影響更加明顯。由圖9b)可見，有義波高為2.5 m的工況造成的觸地點(diǎn)疲勞損傷最大，在觸地點(diǎn)附近的20 m范圍內(nèi)，疲勞損傷極其明顯，而兩側(cè)疲勞損傷很小，如果該處的疲勞壽命仍然不滿足要求，可以采取局部加厚等方式提高疲勞性能。

5 結(jié)論

1)緩波形鋼懸鏈立管有4個(gè)應(yīng)力高點(diǎn)，分別為立管頂部應(yīng)力節(jié)下端，線性波谷、波峰和觸地點(diǎn)；疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)有3個(gè)，分別為立管頂部應(yīng)力節(jié)下端、浮力材段和觸地點(diǎn)。在緩波形鋼懸鏈立管設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮這些危險(xiǎn)點(diǎn)處的強(qiáng)度與疲勞，保證其在安全范圍以內(nèi)。

2)緩波形立管相對(duì)于簡(jiǎn)單懸鏈線立管的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)、受力及疲勞三方面。緩波形立管在對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以及慢漂具有更好的適應(yīng)性，但其側(cè)向位移較大，應(yīng)防止立管干涉的發(fā)生；并且其頂部張力和應(yīng)力較小，其頂部以及觸地點(diǎn)區(qū)域的疲勞性能得到顯著改善，具有更好的強(qiáng)度與疲勞安全性，可以更好地滿足工程與規(guī)范要求。

3)立管浮力材段的位置、長(zhǎng)度對(duì)緩波形立管整體強(qiáng)度有不同程度的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選取。后續(xù)的工作可以針對(duì)更多的參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度與疲勞敏感性分析，并采取相應(yīng)的方法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提升緩波形立管的安全性能，增加其工程適用范圍。

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