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集束塔式立管总体有限元分析研究

发布于:2018-03-22 21:43
有限元分析

       塔式立管是一种以刚性立管作为主体部分,通过顶部浮力筒的张力作用,垂直站立在海底,以跨接软管作为外输装置与海上浮体相连接的立管结构形式。集束塔式立管与单根塔式立管的主要区别在于集束塔式立管的垂直主体管是由多根不同用途的立管集成的,与单根塔式立管相比用途更广泛并且效率也更高。本研究给出一种计算集束塔式立管总体强度的有限元分析方法,为集束塔式立管和集束管线的分析提供了参考。
       集束立管的建模技术包括两种,一种是等效建模技术,另一种是多管建模技术。若采用多管建模技术,则可应用ABAQUS提供的多点约束或者管中管接触单元进行具体而直接的模拟。采用等效建模技术,将多管的惯性矩和质量等效为单管,该方法计算效率与精度均较高。集束塔式立管在强度分析时,需要考虑垂直主体管中不同类型的立管的强度是否满足规范要求。图给出集束塔式立管强度分析基本流程。等效依据以下基本原则:圆管的惯性矩等效,即“等效管”截面弯曲惯性矩与集束管内各管截面弯曲惯性矩之和相同。即质量等效,即“等效管”以及内部流体质量与集束管内各立管及其内部流体质量之和相同,且等效圆管的外径与实际集束塔式立管各管的最大外径相同。即:以上各式中W分别代表各管的单位立管质量(含内部流体重量);D代表各管的外径;d代表各管的内径;P代表各管的内流密度。脐带缆的单位质量一般由生产厂家直接提供。
       利用式可以得到“等效管”的内径和内部等效流体密度。实际工程中,更关心的是塔式立管垂直主体管内部的各种立管的设计是否满足APIRP2RD规范要求。下面给出各种应力的计算方法:其中BM表示立管弯矩;OD表示立管外径;WT表示立管的惯性矩。通过以上公式可得出各立管与“等效管”的各种应力的关系。
       下面给出一个集束塔式立管总体强度分析的实际工程算例,进一步说明该分析方法。本研究的集束塔式立管,取水深为500m,塔式立管主体管是由一根中心管、两根生产立管、一根输水管一根气举管、两根脐带缆以及管体周围的浮力块组成的。塔式立管主体管相关参数和截面布置图如下表所示。根据前面的理论方法,可以得出塔式立管“等效管”的相关参数见表。强度分析中研究的洋流数据和波浪数据分别为极限洋流数据(见表)和极限波浪数据(见表)。塔式立管总体强度分析,目的是在不同工况下,分析塔式立管垂直主体管总体强度及跨接软管的最小弯曲半径是否满足规范要求。强度分析主要包括如下内容:压力测试工况(LC01),波浪与洋流为1年一遇,锚链和浮力筒完好,内压是设计压力的1.25倍,运行工况(LC02):波浪为10年一遇,洋流为1年一遇,锚链和浮力筒完好,内压为设计压力;(3)极限工况(LC03):波浪为10年一遇,洋流为1年一遇,锚链和浮力筒完好,内压为设计压力。利用有限元AppQrcaFlex建立有限元模型,根生产立管、一根注水管、一根气举管和两根脐带缆共为集束塔式立管整体有限元模型图。跨接软管是由两6根软管组成的。



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