[发明专利]一种钢悬链式立管纵向运动的分析方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及海洋深水立管运动的研究方法，尤其涉及一种钢悬链式立管纵向运动的分析方法。

[背景技术]

钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管是深海油气开发的重要装备，它们的一端与浮式平台连接并自由悬垂至海底，形成一条悬链线。钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管与海底接触的第一个位置称为触地点，从浮式平台到触地点的一段称为悬垂段。钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管的另一端与井口(生产立管)或海底终端(输运立管)或海底管汇连接，从触地点至井口、海底终端或海底管汇的一段称为流线段。

钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管在海洋环境荷载的作用下，将产生横向和纵向运动。其中，横向运动包括弯曲运动和刚体摆动，刚体摆动不仅增加横向的流固耦合作用，而且也影响纵向的弯曲运动。目前的分析方法没有考虑刚体摆动效应，因此，不仅横向运动分析结果与实际有较大的误差，而且纵向运动分析也存在计算结果(包括运动幅度和内力)小于实际情况的缺点，使分析结果偏于不安全。

现有技术对于钢悬链式立管纵向运动的分析是采用如下梁的弯曲运动方程如下：

(m+ma)r··+(c+ca)r·+kr=q]]>

式中：

r——弯曲位移；

——弯曲速度；

——弯曲加速度；

m——立管单位长度的质量；

m_a——立管单位长度的附加质量；

c——立管单位长度的结构阻尼系数；

c_a——立管单位长度的附加阻尼系数；

k——立管弯曲刚度，包括弹性弯曲刚度和几何刚度；

q——作用在立管上的荷载。

现有技术的不足之处在于：

1)没有考虑横向刚体摆动引起的纵向运动加速度对钢悬链式立管惯性力和附加质量以及内力的影响。

钢悬链式立管发生横向刚体摆动时，其向心加速度将增大纵向的弯曲振动加速度，从而增大了钢悬链式立管的截面剪力和弯矩。

2)没有考虑横向刚体摆动引起的速度对钢悬链式立管附加阻尼和水动力荷载的影响。

结构的动力平衡方程中的阻尼力一项(梁的弯曲运动方程中的第二项)分为两部分，一部分是结构自身的阻尼(梁的弯曲运动方程中的第二项的第一部分)，另一部分是水动力的附加阻尼(梁的弯曲运动方程中的第二项的第二部分)，这部分阻尼的大小取决于结构与流体的相对速度，因此，应该是结构的绝对速度，但现有技术采用的是弯曲变形的运动速度，忽略了刚体摆动的运动速度，因此，计算值偏小。

综上所述，目前的钢悬链式立管(包括脐带缆和柔性立管，脐带缆和柔性立管具有与钢悬链式立管相同的几何形状，脐带缆主要用于浮式平台与海底生产设施之间的电、液控制信号的传递，柔性立管与钢悬链式立管的用途相同，但材料不同)纵向运动分析仅仅考虑浪、流荷载引起的弯曲变形，而忽略了刚体摆动对弯曲运动的影响，这将低估结构的惯性力和水动力的影响，从而使计算偏于不安全。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，考虑了钢悬链式立管横向运动的刚体摆动，提供了一种更加合理的钢悬链式立管纵向运动的分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种钢悬链式立管纵向运动的分析方法，建立的钢悬链式立管纵向运动方程如下：