深海输流大变形立管流致振动行为及疲劳损伤机理研究

One of the most important issues in risers is the FIV phenomenon (Flow Induced Vibration). On the operation of deepwater marine risers, the inner flow including high pressure oil and gas and the outer flow containing wave will lead to the vibration of risers, considerable fatigue damage and the leakage of inner flow. To tackle this problem, the present work deduce nonlinearity FIV time-domain model.Then the VIV model takes into account large deformation theory, establishes strongly coupled nonlinear equations, and analyzes the response mechanism of deepwater unbonded flexible risers under complex mechanical property and multi- physics. After that, this work investigates how the flow velocity influences the displacement and natural frequency of flexible risers under inner flow, and also the vibration mode under ocean current and wave. Finally, the VIV response of risers influenced by the large deformation is investigated. The dynamic response of risers influenced by the vertical motion of the deep water floating platform is researched. The fatigue damage of risers is also analyzed. The results are quite compelling due to enhancing the service life, suppressing vibration, and also reducing the fatigue damage of deepwater unbonded flexible risers.

深海输流立管工作时，高压油气内流及海浪、波浪等外流作用会引起立管振动，导致疲劳破坏，严重时会造成油气泄露等灾难性后果。针对这一问题，本项目首先推导出适合于深水柔性立管的非线性流致振动时域分析模型。然后将大变形考虑进立管流致振动模型中，建立相应的强非线性耦合控制方程，考察和分析深海非粘结柔性立管在大变形下的复杂受力特性和应力状态以及多场耦合作用下的立管动力响应机理。研究在管内流体作用下，不同流速和位移幅值、流速与柔性立管固有频率的关系，其振动模态的规律；在海流、海浪作用下，参激-涡激联合振动的振动模态。分析考察大变形效应对输流柔性立管流致振动响应的影响，深水浮式平台垂荡运动对立管动力响应的影响，以及立管的疲劳损伤。研究结果将会完善流致振动研究理论，丰富结构流固耦合行为应用内容，为提高深海非粘结柔性立管系统的使用寿命，抑制振动，减少疲劳破坏提供理论依据和技术指导。

流致振动是导致海洋立管疲劳破坏的重要因素，为了深入理解海洋立管的流致振动规律，本项目基于扩展Hamilton原理建立了考虑立管几何非线性特性的三维涡激振动模型，理论模型包括无内流的涡激振动模型、输液立管的涡激振动模型和气-液两相输送立管模型，研究了模型在不同外部激励下的响应特性。项目的主要内容和研究成果包括：.（1）采用非线性Euler-Bernoulli梁模型，基于扩展Hamilton原理，建立了考虑几何大变形柔性立管三维涡激振动模型。分析了均匀外流流速、梯度外流流速和脉动外流流速对立管响应的影响，最后分析了材料粘弹性系数对立管固有特性和时域响应特性的影响规律。研究结果显示，外流激励会使立管产生复杂的非线性响应，粘弹性系数对立管的响应有一定的抑制作用。.（2）研究了常内流流速对立管固有特性和时间响应特性的影响规律，分析了周期脉动内的脉动频率和脉动幅值对立管位移和应力的影响规律。研究结果表明，内流流速会改变立管的固有频率，在不同外流流速下，存在临界内流流速使横流向响应模态发生改变。.（3）通过将顶部激励作为边界条件，研究了立管在不同顶部激励作用下的三维涡激振动响应。分别研究了定常张力、脉动张力和横流向顶部激励三种形式对立管固有特性和时域响应的影响规律，对比分析了不同外流流速下的响应特征，探讨了立管位移和应力的空间-时间响应、横流向响应模态、立管的平面位移轨迹和相轨迹变化。研究结果表明，不同的激励可能增强或抑制立管的响应，通过施加适当的外部激励可以有效地降低立管的响应幅值。.（4）基于垂直立管两相流理论模型，建立了气-液两相输流立管的三维涡激振动模型。研究了液相体积流量和气相体积分数对立管固有特性的影响规律，进一步探讨了气相体积分数对立管位移和应力的影响规律。研究结果表明，液相体积流量和气相体积分数会改变立管的固有频率，对高阶频率影响较大，而且在不同外流流速下，存在临界气相体积分数使横流向响应模态发生改变。