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深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比.pdf
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1、深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比 黄 俊1,康 庄2,张岩松3,艾尚茂4(1.中海油研究总院,北京 1 0 0 0 0 0;2.哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 0 1)摘要 波致疲劳损伤是深水钢悬链线立管(S C R)疲劳损伤的重要组成部分。分别采用时域和频域的方法对中国南海海域风暴海况引起的S C R波致疲劳损伤进行了预报,分析了时域方法和频域方法得到的平台运动响应和立管动力响应的差异,对疲劳损伤风险位置及损伤极值等预报结果进行了对比。结果表明:时域方法与频域方法计算耗时差距巨大,采用频域方法得到的损伤风险位置滞后,且与时域方法相比,对立管的波致疲劳损伤进行了放大,在数
2、量级上保持一致。通过上述结果分析,评估两种方法在深水钢悬链线立管波致疲劳预报中的适用性。关键词 钢悬链线立管;波致疲劳;频域谱分析;时域方法中图分类号:U 6 7 4.3 8 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 1 1 2 0 7d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.1 8T i m e-f r e q u e n c y M e t h o d C o m p a r i s o n f o r W a v e-i n d u c e d F a t i g u e P r e
3、 d i c t i o n o f D e e p w a t e r S C R sHUA N G J u n1,K A N G Z h u a n g2,Z HA N G Y a n s o n g2,A I S h a n g m a o2(1.C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e,B e i j i n g 1 0 0 0 0 0,C h i n a;2.H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,H a r b i n H e i l o n g j i a n g 1
4、 5 0 0 0 1,C h i n a)A b s t r a c t W a v e-i n d u c e d f a t i g u e d a m a g e i s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f d e e p-w a t e r s t e e l c a t e n a r y r i s e r(S C R)f a t i g u e d a m a g e.I n t h i s p a p e r,t h e f a t i g u e d a m a g e o f S C R i n t h e S o u t
5、 h C h i n a S e a c a u s e d b y s t o r m s t a t e i s p r e d i c t e d t h r o u g h t i m e d o m a i n a n d f r e q u e n c y d o m a i n r e s p e c t i v e l y.T h e d i f f e r e n c e o f p l a t f o r m m o t i o n r e s p o n s e a n d r i s e r d y n a m i c r e s p o n s e o b t a i
6、 n e d b y t i m e d o m a i n m e t h o d a n d f r e q u e n c y d o m a i n m e t h o d i s a l s o a n a l y z e d.T h e p r e d i c t i o n r e s u l t s o f f a t i g u e d a m a g e r i s k p o s i t i o n a n d d a m a g e e x t r e m e v a l u e a r e t h e n c o m p a r e d.T h e a p p l i
7、 c a b i l i t y o f t h e m e t h o d s i n p r o d i c t i o n o f d e e p-o c e a n r i s e r s w a v e-i n d u c e d f a t i g u e w a s e v a l u a t e d.T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e r e i s a h u g e g a p b e t w e e n t h e t i m e d o m a i n m e t h o d a n d t h e f r e q u e
8、 n c y d o m a i n m e t h o d,a n d t h a t t h e d a m a g e r i s k p o s i t i o n c a l c u l a t e d b y t h e f r e q u e n c y d o m a i n m e t h o d i s l a g g i n g b e h i n d.W i t h t h e f r e q u e n c y d o m a i n m e t h o d,t h e w a v e-i n d u c e d f a t i g u e c u m u l a t
9、 i v e d a m a g e i s a m p l i f i e d,w h i l e t h e o r d e r o f m a g n i t u d e i s c o n s i s t e n t.K e y w o r d s S C R s;w a v e-i n d u c e d f a t i g u e;f r e q u e n c y d o m a i n s p e c t r a l a n a l y s i s;t i m e d o m a i n m e t h o d0 引 言近年来,钢悬链立管由于其成本低,可以承受较大的上部浮体的升
10、沉和漂移运动1,且适合深海高压环境,被广泛应用于深水油气开发中。对于深水立管系统来说,疲劳问题也是至关重要的。深水钢悬链线立管(S C R)的疲劳损伤主要包括平台涡激运动引发的疲劳损伤、立管涡激振动疲劳损伤和波致疲劳损伤。深水S C R应用的海洋环境较为复杂,容易遭受极端海况,波浪载荷大,由此引发的疲劳项目:中国海油科技项目“陵水半潜式生产平台研究专项”(L S Z X-2 0 2 0-HN-0 5-0 4 0 5)作者简介:黄俊(1 9 8 0),男,工学学士学位,高级工程师,现主要从事海底管道结构的设计和研究工作。h u a n g j u n l c n o o c.c o m.c n。
11、第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 3第2期黄俊,等:深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比1 1 3 损伤在疲劳总损伤中占比较大,因此在立管设计过程对波致疲劳损伤进行预报是十分必要的。在目前的实际工程中,疲劳损伤计算一般是基于频域谱分析方法和时域分析方法2。时域疲劳评估方法顾名思义是在时域中模拟得到应力数据,应用雨流计数法对应力进行处理,提取以幅值和均值为区分的应力的循环
12、次数,之后对所截取的时间段下的总损伤进行累积计算,最后经过转换可以得到所求疲劳寿命。工程应用对时域法的准确性认可度较高,可以对载荷所引发的疲劳问题进行准确分析,并且还能将其中的非线性问题考虑在内。但该方法计算量大,对设备要求较高,耗时严重3。在实际情况下,也可以在频域内用功率谱密度来描述结构所受的随机载荷。频域方法计算量较小,因而耗费时间较短。面对较为复杂疲劳分析问题时,可以利用该方法快速地进行计算,与时域方法相比可节省大量的时间4。频域方法虽然能够极大地减小计算成本,对疲劳寿命进行快速预报,但其预报结果在精度上值得商榷。本文利用O r c a F l e x软件分别采用频域方法和时域方法对南
13、海某生产平台立管系统进行波致疲劳预报,通过对所得结果进行分析,对两种方法进行讨论。1 计算理论和方法1.1 悬链线理论如图1所示为基本的悬链线式钢质立管形态,为悬链线顶端切线方向于水平面的夹角,Th和Tv分别是顶端张力的水平方向与垂直方向的分量。悬链线的一般理论方程为5:图1 立管静力分析图F i g.1 S t a t i c a n a l y s i s d i a g r a m o f r i s e ry=ac o s hxa-1 (1)其中,定义a=Th/为悬链线参数,为管线单位长度湿重。在水深h和单位长度湿重给定下,给出悬链线参数a便可得到全部的立管状态参数。1.2 时域动力分
14、析理论时域分析是完全非线性的,质量、阻尼、刚度、载荷等在各个节点上每个时间步进行计算,同时考虑瞬时几何形状的差异。O r c a F l e x软件中内置两种积分方式,分别为显式积分和隐式积分,文中选用隐式积分方案,在计算时间步内更加稳定,因此速度更快。S C R的运动方程可以表示为6:M x(t)+C x(t)+K x(t)=f(t)(2)式中,M为S C R的质量矩阵,包括结构质量和附加质量;C为S C R的阻尼矩阵,包括结构阻尼和水动力阻尼;K为S C R的刚度矩阵;f(t)为S C R所受到的外部载荷,主要是环境载荷和浮体响应给S C R施加的力。1.3 频域谱分析理论频域分析是线性的
15、,即频域求解过程中将任何非线性因素近似为线性。波频响应定义为系统与波浪随机过程相关联的一阶动态载荷作用下的响应。与时域下一致,波浪由指定的波浪谱描述,不同的是波浪谱在频域分析中并不用于重现海况。频域分析是通过对一些潜在的随机环境或加载过程应用一系列的线性映射来实现的。频域分析假设输入和输出都是正弦函数或者正弦函数组合的形式7,所以频率为n的不规则波:f(t)=f-ei nt,x(t)=x-ei nt(3)式中,f-和x-为复向量形式。代入式中可得:(2nM+inC+K)x-=f-(4)假设式中M、C和K不随时间变化,S C R结构为小直径管线结构,则f-可以通过对莫里森公式扩展得到,将f-记作
16、F-。1.4 疲劳分析方法时域疲劳分析是在一段时间内对S C R的运动响应进行求解,得到S C R的应力响应的时历数据。频域谱疲劳分析是在频域内进行的,通过F EM对S C R结构进行分析得到频域响应函数,结合平台的运动谱和J O N S WA P波浪谱可得到其应力在频域内的响应,通过进一步变化得到应力数据。在得到应力数据后结合S N曲线法8即可得到其应力幅值对应的循环次数,再应用M i n e r线性累积准则对损伤进行累加。重复进行上述操作可以得到立管1 1 4 海洋工程装备与技术第1 0卷各个节点位置的疲劳损伤。具体的频域方法(a)和时域方法(b)疲劳分析流程如图2所示。(a)(b)图2
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