[发明专利]一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法。

背景技术

深海油气开采工程中，脐带缆作为水下生产系统重要组成部分，起到连接水面浮式装置和海底油井的重要作用，是海洋油气水下生产系统的生命线。随着海洋油气开采工程不断向深海推进，脐带缆由于水深增大导致顶端所受的拉力不断增加。为了避免深水脐带缆顶端拉力过大，缓波构型由于有效减小顶端拉力这一特性被广泛应用于深水油气开发。然而，缓波构型中浮力块体系的引入致使其非线性特性愈发明显，因此有必要对深水缓波型脐带缆进行非线性静态分析。

发明内容

为了克服已有技术无法有效分析深水缓波型脐带缆的不足,本发明提供了一种有效实现深水缓波型脐带缆分析的深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，包括以下步骤：

步骤一：理论假设，条件如下：

1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响；

1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用；

1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力简化为一系列线弹簧作用；

1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响；

1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析；

步骤二：建立力学分析模型

脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形，划分为：

悬跨段，从下放点LOP到触地点TDP之间的管段，由悬浮段L₁、浮力块段L₂以及下降着地段L₃三部分组成；

触地段，管道触地点TD)之后置于海床上的管段；。

根据上述深水脐带缆缓波型划分，建立两个坐标系分别对悬跨段和触地段进行力学分析：整体坐标系(x,y)以下放点(LOP)为该坐标系原点，用以分析悬跨段力学特性；局部坐标系(x₁,y₁)以触地点(TDP)为该坐标系原点，用以分析触地段力学特性；

步骤三：设定边界条件

脐带缆通过限弯器连接于水面浮式装置，将其连接简化为铰接连接，从而确定下放点LOP的边界条件；考虑脐带缆的直径影响，确定触地点处TDP的边界条件；

步骤四：数值求解

在求解过程中脐带缆顶端拉力T₀、悬跨段长度以及触地点位置都是未知量，仅顶端下放角θ₀为已知参数，需要通过迭代运算进行数值求解；

一旦顶端拉力T₀确定，通过递推法从顶端依次计算出每一微分单元的构型，从而求解出脐带缆缓波型的整体形态。

进一步，所述方法还包括以下步骤：

步骤五：有限元模型验证：使用有限元软件OrcaFlex建模与理论方法进行对比分析。

本发明的有益效果主要表现在：(1)基于悬链线理论和小变形梁理论，综合考虑海洋环境荷载以及弹性海床地基作用，有较高的正确性和可靠性(2)对于缓波型脐带缆安装分析提供了一种简单有效的方法(3)可以对缓波型脐带缆安装进行一系列敏感性分析，为实际的安装作业提供参考。

附图说明

图1为缓波型脐带缆受力分析图。

图2为缓波型脐带缆形态对比图。

图3为沿脐带缆长度弯矩对比图。

图4为沿脐带缆长度轴力对比图。

图5为悬跨段管段微元受力分析示意图。

图6为触地段管段微元受力分析示意图。

图7为数值计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析的方法，包括以下步骤：

步骤一：理论假设

实际安装工程中，由于受到海床、风浪流以及船体运动的影响，深水缓波型脐带缆的非线性静态分析比较复杂。为了便于理论分析研究，做以下简单假设：

1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响。

1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用。

1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力可简化为一系列线弹簧作用。

1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响。

1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析。