关于海洋立管振动的稳定性研究

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关于海洋立管振动的稳定性研究

摘要：海洋立管是海洋平台与海底井口间的主要连接件,是海洋基础结构的关键组成部分,它的安全与否直接影响着海洋工程的发展和海洋生物的安全。因此，为保障海洋管线的石油运输安全，避免遭受重大的经济损失和海洋生物生态环境的破坏，必须对海洋损伤石油管线进行强度评估和可靠性风险分析。本文旨在一定的海洋环境条件和平台的特定纵荡下，找出海洋立管发生参量共振的参数激励频率，研究立管预紧力变化对参量稳定性区域的影响。
Abstract: Marine risers are themain connecter between a platform and the mouth of a well in the seabed, theyare key parts of ocean infrastructure, theirsafety directly affect the development of ocean engineering and Marine lifesafety. Therefore, in order to ensure the security of Marine pipeline oiltransportation ,avoid major economic losses and Marine ecological environmentdestruction, we must evaluate the damaged sea oil pipeline strength and analyse reliability risk.This article aims to a certain conditions of Marine environment and platformspecific surge , trying to find out the frequency of parametric excitation whenthe Marine riser occurred parametric resonance and research the influences of theparameters stability region when the preload changed.
关键词：海洋立管；振动；参数激励；预紧力；
一.研究现状

      近年来，随着我国经济的高速发展和人民生活水平的迅速提高，对石油资源的需求量逐年增加，我国已成为仅次于美国的世界第二石油消费国。随着陆地资源的日趋枯竭，人类的生存和发展将越来越多地依赖海洋。各沿海国家将石油来源瞄准了广阔的海洋。而海洋石油和天然气等能源的开采依赖于海洋平台的建设，海洋平台是一种海洋工程结构物，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。

      在深海矿产、油气资源开发中，为了将矿石、油气传输到海平面, 以便于初步加工分离输送, 浮体与海床之间需要通过立管连接输送资源, 这种管线称为深海立管。立管系统本质上是连接水面浮式装置和位于海床的海底设备的导管，其下端一般与海底油井管口的方向节相连，上端则可连于平台的滑移节或钻探船舶。海洋立管是海洋管道系统中薄弱易损的构件之一，与一般的海底管道相比，立管处于更加恶劣复杂的海洋环境中，内部一般有高温高压的油或气流通过，外部承受波浪、海流等荷载的作用，偶尔还会受到海冰、地震、海啸等偶然因素的影响。在内部流体和外部荷载的共同作用下立管会发生碰撞、疲劳破坏、断裂和腐蚀失效等，轻则停产，重油气泄漏，导致火灾和爆炸事故，不仅工程本身遭受损失，而且可能造成严重的次生灾害。

      在海洋油气管道不断延伸的同时，油气管道破坏事故和污染在国内外都呈上升趋势，防止和应对管道破坏失效的任务也越来越艰巨。美国矿产管理局(MMS)对墨西哥海湾1967年—1987年海底管道失效事故统计表明，20年内共发生海底管道事故690例。1992年—2005年间，美国墨西哥湾在5次飓风打击下共有数百根立管有不同程度的损毁破裂。2006年，BP在美国阿拉斯加的油气管线破裂给当地环境造成了严重污染，使美国联邦法庭下令其关停大部分油气管线以进行更严格的测试。2007年，山东东营“油耗子”凿漏海底石油管道致4亿元经济损失，还造成了特大海洋环境污染事故，严重影响了胜利油田及沿海渔业生产、生活秩序[1]，由此看来，海洋管线是海洋油气资源开发和利用的生命线，它的安全与否直接影响着海洋工程的发展和海洋生物的安全。海洋管线在安装过程、渔业捕捞等人类海洋活动以及其它的海洋事故中，难免会产生备种各样的损伤和缺陷，如出现表面凹坑、微裂纹等。这些缺陷在管线运输石油产品过程中，在工作载荷和环境载荷等因素影响下，在缺陷局部会产生应力集中，生成微裂纹及宏观裂纹，会导致裂纹扩展，最后导致管线失效破坏。另外，损伤和缺陷的存在大大降低了海洋石油管线的承载能力，缩短了管线的使用寿命，同时也威胁着海洋石油管线及海洋生物环境的安全。在恶劣的深水海洋环境下, 结构非线性动力特性尤为复杂[2]。深海平台结构的垂荡运动将导致立管的轴向拉压, 这将会引起立管结构的水平动力响应, 这种现象称之为参数响应。[3]

      近年来，海洋管线结构的振动特性得到了较多关注, 通常采用简单的梁理论计算分析结构弯矩以及剪切力,主要的研究集中在波浪、流以及浮体摇晃等水平方向激励力导致的振动[4], 结构动力学方程的系数原本都是不随时间变化的量, 但是参量共振描述的动力学方程系数是随时间变化的变量。尽管有不少文献的研究与参量共振现象相关, 但多数研究只是在数学探讨分析的角度研究分析参量共振及非线性特性，只有很少的研究是与实际工程结构相 关联的,角度研究分析参量共振以及非线性特性[5]。深海立管参量共振分析比上述研究要复杂, 立管结构的参量不稳定性是由于随时间变化的参数激励引起的,对于以普通链/钢缆为锚泊线呈悬链线状分布的伸展系泊系统,国内外已经开展过很多研究[6],刘应中等人[7,8]还分别给出了完整的缆索动力学的基本方程和若干种系泊系统动力分析的时域方法,但立管结构参量不稳定性少有探讨,在极深海域立管结构的动力特性非常复杂,因此精确的动力分析方法需要进一步的发展,很多研究主要集中于数值模拟和实验研究分析海洋立管的水平力作用下的强迫振动研究，而这些常用方法对于参量共振研究是不适用的。

      1975年，Hsu[9]第一位提出分析海洋缆索参量共振现象。2002年，朱克强研究了驳船升沉和横荡运动下的海洋立管动力响应。Suzuki[10]等人进行了一个小比例的模型试验,立管顶端进行参量激振,他们模拟自由悬挂的 4000m长的立管, 研究表明参量共振对管线安全的影响较大。2009年，杨和振，李华军，针对参数激励下深海立管的水平动力响应及参量不稳定性进行研究。
二. 方法
   1.查询文献、资料等，了解海洋石油平台立管的主要参数激励载荷；
   2.学习数值建模和有限元等其他分析研究方法，对立管的振动特性进行研究；
   3.研究当立管预紧力变化时，对海洋立管参量稳定性区域产生的影响；

三. 存在的问题
      近年来，海洋管线结构的振动特性得到了较多关注，国内外研究人员对海洋立管的涡激振动进行了大量研究，对海洋立管在参数激励下的振动特性研究还很少。尽管有不少文献的研究与参量共振现象相关,但多数研究只是在数学探讨分析的角度研究分析参量共振以及非线性特性，只有很少的研究是与实际工程结构相关联的。
四. 总结
      海洋油气管道风险评价是当前国内外十分活跃的研究领域。海洋平台管道作为海洋油气管道的重要组成部分，在海洋工程中占有重要的地位，对海洋平台管道进行风险评价并采取有效的措施可使平台管道发生破坏失效的可能性显著减小，大大降低管道破坏风险，保证管道在其设计寿命期间能够.安全运行。因此，在一定的海洋环境条件和平台的特定纵荡下，找出海洋立管发生参量共振的参数激励频率，并研究立管预紧力变化对参量稳定性区域的影响是十分必要的。

                                                                                  参考文献

[1] 孟昭瑛, 杨树耕等.水下管道涡激振动的实验研究[J]. 水利学报, 1994, ( 7): 43- 50.

[2] 黄维平,李华军.深水开发的新型立管系统[J].中国海洋大学学报, 2006, 36( 5): 775- 780.

[3] 杨和振,李华军.参数激励下深海立管动力特性研究[J].振动与冲击, 2009,28(9):65-78

[4] 孟昭瑛,杨树耕,王仲捷.水下管道涡激振动的实验研究[J]. 水利学报.1994, ( 7): 43- 50

[5] E -l B assiouny A F. Parametrically exc ited non- linear system s:a compar ison o f two me thods [   J].AppliedM a thema tics andCom putation, 2002, 132: 385- 410.

[6] 缪国平.挠性部件力学导论[M].上海:上海交通大学出版社, 1996.

[7] 刘应中,缪国平,吴国雄.缆索动力学的基本方程[J].上海交通大学学报, 1997, 31 ( 11) :141- 144.

[8] 刘应中,缪国平,李谊乐.系泊系统动力分析的时域方法[J].上海交通大学学报,1997,31(11):7-12.

[9] Hsu C S.Theresponse of a parametrically excited hanging string in

Fluid [J].Journal of Sound andVibration, 1975,39: 305- 316.

[10] Suzuki H,Takano K, Enomoto K. Axial and lateral response of a deep sea riser forscientific drilling[C]. Proceedings of Twenty Third International Conference onOffshore Mechanics and Arctic Engineering, Vancouver,British Columbia, Canada,2004 (OM AE2004- 51094).

                       石油化工学院                化工过程机械                  马璐                  122080706017