水下生产系统“M”型跨接管结构在地震作用下的动力响应分析.pdf

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1、第44卷第4期船海工程Vo1．44No．42015年8月SHIP&OCEANENGINEERINGAug．2015DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2015．04．027水下生产系统“M”型跨接管结构在地震作用下的动力响应分析赵南。蒋彩霞，胡嘉骏，李政杰(中国船舶研究中心，江苏无锡214082)摘要：由于跨接管在水下会受到地震波作用，并且地震发生时跨接管将受到地震引起的水动力的作用，因此采用有限元法计及地震波沿水平和垂向两个方向的载荷输入，考虑地震作用下跨接管的动水作用效应、深海水压、端部位移以及跨接管内部油温的影响，

2、进行地震作用下的跨接管动力响应分析。结构动力响应分析表明，地震下动水作用力、端部位移、深海水压以及跨接管内部油温对跨接管的响应幅值影响较大，研究地震载荷作用下跨接管动力响应应计及上述因素。关键词：水下生产系统；跨接管；动力响应；地震波中图分类号：P751文献标志码：A文章编号：1671-7953(2015)04-0109-05水下生产系统不仅具有能够提高采收率、解1刚性跨接管动力分析模型决油井产出物处理和输送问题，而且受海平面影响较小，能够适用于深水或超深水油气开发，因此跨接管结构的形式及坐标系见图1，坐标系备受关注并得到了蓬勃发展。刚性跨接

3、管作为连原点定义在跨中位置，沿轴的最大长度定义为接采油树和管汇、管汇和管汇等的主要输油通道，跨长；y为水平方向，垂直于跨接管所在平面；z轴是水下生产系统中最为常见的结构之一llJ，主要向上为正，坐标系符合右手定则。地震波将以体承受深海高压，地震载荷等极端载荷的作用，因此波的形式沿Y和方向输入结构模型，地震引起跨接管的安全运行是海上油气安全生产的重要保跨接管周围运动水体的影响通过水动力载荷反证。地震载荷具有持续时间短、频率高、强度大的映。特点，容易引起跨接管结构发生强烈振动而破坏，这种潜在的地震危险在跨接管的设计、制造、安装等阶段均应考虑。目前

4、关于跨接管在深海高压以及地震载荷作用下的动力响应研究较少，文献[2]对埋置海底管线地震作用下动力响应做出了详细分析，但仅考虑水平地震输入；文献[34]就地震作用下引起悬跨管道附近水流变化提出了地图1刚性跨接管地震载荷下的动力响应分析模型震动水作用力模型，并通过实验进行了对比论证。地震具有时间短、频率高、强度大，短时间内文献[5]虽然计及了双向地震载荷，但是没有考管道周围流体产生剧烈往复运动的特点。因此在虑到深海高压对跨接管动力响应的影响。文中采考虑地震载荷下结构动力响应中，一般可采用用有限元软件进行刚性跨接管非线性动力分析。Monson公式确

5、定载荷。由于地面的运动是多维的，为将地震动输入的影响引入Mofison方程，李明高等提出地震作用下的动水作用力模型，引人如收稿日期：2015—03—05修回日期：2015—03—24下假定：①仅考虑地震引起的水质点运动，不考虑基金项目：国家自然科学基金(51239008)海流流速；②地面水平运动时，水体速度为0m／s；第一作者简介：赵南(1985一)，男，博士生地面垂向运动时，水体速度等于地面运动速度。研究方向：船舶及海洋工程结构物结构强度基于上述基本假设，跨接管垂直方向以及水E-mail：a04011531@126．com平方向所受的动水作

6、用力可表达为】09嚣翥赵南，等：水下生产系统“M”型跨接管结构在地震作用下动力响应分析船第海4工4卷程1】I=，，2+=C脑2()一10一一‘I一c。D(型一0．⋯一一1Ij主．1．颦一11l)×一)d5l0l52O时间／s=+厶=叽●鲁、／【一，一c。~-pDu‘II＼式中：——流体惯性力和拖曳力向量；￡·-叵’c——跨接管惯性力系数矩阵；。C。——拖曳力系数矩阵；b)垂向——附加质量系数矩阵；图2地震波加速度时域a(t)——垂直地震加速度向量；∞D——外径。●吕V2计算实例、、ⅡR跨接管参数如下。·叵蟋跨长L=30．461TI；外径D=0

7、．406m：O303壁厚t=0．0175m；O202材料密度P=7850kg／m；01杨氏模量E：201．1GPa；O100惯性力系数C=1．20；拖曳力系数C。=1．35；频率／Hzb)垂向附加质量系数c=1．1。图3地震波加速度频谱输入地震波为天津波，时间间隔0．01S，时间持续19S，地震波加速度时域曲线及加速度频谱见图2、3。由图3可见天津波的垂向地震波频率．主要集中在0—6Hz，横向地震波频率主要集中在0～5Hz。2．1模态分析表1为天津波计及附连水质量的跨接管各阶振型频率，图4为前4阶跨接管模态振型示意图。由表1可见，该地震波主要

8、波频涵盖了跨接管前图4跨接管前4阶振型6阶模态。接管运动和受力变化情况，进而分析地震动水2．2动力响应特性分析效应、水深变化、端部位移，以及内部油温影响地震波输入下