基于海流随机性的深海立管涡激振动疲劳寿命概率预测方法研究

本课题针对深海立管在复杂海洋环境下诱发疲劳损伤问题开展深入、系统的研究。完善现有的横流方向涡激振动疲劳评估理论，研究由横流涡激振动诱发立管轴向共振的机理及该效应对疲劳寿命影响的定量分析方法。深入开展顺流方向涡激振动疲劳评估方法的理论研究工作，建立一套完整的涡激振动疲劳损伤定量分析模型。全面系统地开展环境条件、材料性能、结构缺陷等诸多因素对深海立管涡激振动疲劳寿命的影响分析，掌握影响深海立管涡激振动疲劳寿命的一般规律和相关物理参数的随机性和敏感特性。结合海流长期分布随机性的特点，开展涡激振动载荷概率模型的研究。结合载荷概率模型和涡激振动疲劳损伤定量分析方法，并基于"设计流"的思想，旨在构建一套合理的深海立管疲劳寿命概率预测和可靠性评估体系。课题研究工作能较好地将理论研究和工程应用相结合，对保障深海油气开发装备的安全性具有重要理论意义和工程实用价值。

深海立管作为油气开采系统中连接海床和海洋平台的细长柔性构件，其安全性受到高度关注。当海流流经立管时，立管的两侧会发生周期性的涡脱落，诱发立管多自由度、多模态的涡激振动，并诱发疲劳损伤。由于涡激振动不仅是强非线性力学行为，其诱发的疲劳载荷也具有一定的随机性，因此对立管设计时通常经验性地选用较为保守的安全因子或安装造价昂贵的抑涡装置。学术界和工业界对涡激振动损伤机理认识的不足严重制约了深海立管的设计和应用。.本项目开展了立管涡激振动疲劳损伤定量计算方法研究、涡激振动疲劳影响因素及参数敏感性研究、涡激振动载荷随机特性以及疲劳寿命概率预测方法及工程应用研究等内容。通过研究，建立了适用于深海立管涡激振动疲劳寿命预测和可靠性评估的理论方法，项目完成的主要工作和取得的成果如下：.（1）基于圆柱体受迫振荡实验数据，分别建立了涡激振动频域和时域预报模型，并通过大尺度立管涡激振动实验模型进行了验证分析。与国外同行的研究工作相比，本项目创新性地提出了顺流方向涡激振动预报方法以及横流振动诱发立管轴向共振的定量分析理论。从而形成了涡激振动三维疲劳损伤定量分析模型。.（2）研究分析了海流环境、立管尺寸材料等因素对深海立管涡激振动疲劳损伤影响的一般规律。提出了海床沟槽模型和垂向线性滞后的管土作用模型，并首次将海床刚度、沟槽和海床吸力等应用到涡激振动诱发的触地区疲劳损伤分析中，揭示了疲劳损伤对海床参数的敏感特性，从而改善了以往所采用的截断模型的弊端，大大提高了悬链线立管触地区涡激振动响应的预报精度。.（3）研究并建立了海流长期概率分布模型及相关特征参数的分析方法，总结了海洋环境参数、海床物理参数以及涡激振动疲劳交变载荷的随机分布特征，确立了合理的涡激振动载荷概率模型。.（4）建立了立管涡激振动疲劳可靠性分析方法，并首次在涡激振动诱发的悬链线立管触地区域疲劳可靠性分析中引入海床的不确定性因素，基于响应面法、蒙特卡洛模拟法和Rosenblueth法，分析了各随机变量对可靠度指标的影响、疲劳损伤概率分布特征、疲劳失效概率和安全因子的关系等。.本项目构建了一套可用于深海立管疲劳寿命定量分析和概率预测评估的理论方法，并开发了应用分析程序，有助于提高对涡激振动疲劳损伤机理和规律的认识。项目研究成果可为立管的抗疲劳优化设计提供更为可靠的建议，相应的分析方法可为海洋立管、海底管道等规范的完善和补充提供技术参考。.