波流作用下钢悬链线立管与海床土相互作用机理研究

钢悬链线立管（SCR）作为连接海上浮式装置和海底管道的立管系统被广泛用于深水开发项目中，在海洋环境和浮体运动的影响下，SCR流线段与海底相互作用，是导致触地点疲劳损伤的重要因素，成为各国学者的研究热点。但在SCR动力分析中大多是将海床模拟为线弹性刚度模型，这与实际的海床条件有较大差异。本研究以SCR与海床相互作用为研究对象，采用大挠度曲线梁模拟SCR，在波流和浮体运动作用下，建立考虑海床土滞回特性和吸力的非线性刚度模型，同时考虑沟槽的侧向阻力和海底摩擦效应，揭示SCR与海床相互作用机理。以物理模型试验与有限元数值计算为手段，研究海床土的非线性弹性和弹塑性刚度以及在反复荷载作用下的滞回特性，土吸力特性及其与管线运动速度和重塑时间的关系，土的摩擦特性以及沟槽的形成，浮体运动对触地点疲劳分析的影响，建立更符合实际的海床作用模型，为SCR特别是触地点疲劳分析和结构优化设计提供有力的理论依据和指导。

钢悬链式立管（SCR）是一种新型深水立管系统，是浮式平台油气输送的首选立管型式。SCR集海底管线与一身，一端连接海底井口，一端通过柔性接头连接浮式结构。SCR与海床刚接触的区域称为触地点区域，是钢悬链式立管疲劳分析的关键位置。SCR与海床相互作用过程非常复杂，对立管的动力响应和疲劳寿命有较大的影响。研究结果表明疲劳寿命的评估与选用的海床土刚度有关。因此为了能够准确的评估SCR触地点处的疲劳寿命，需要采用合理的海床模型。.以SCR触地区与海床土相互作用为研究对象，基于大挠度柔性索理论建立了大挠度曲线梁力学模型，在波流和浮体二维简谐运动作用下，建立了法向非线性海床刚度模型和Spar-SCR整体分析模型，研究浮体运动下SCR与海床的相互作用机理。①以有限元数值计算为主要手段，研究了海床土吸力、土剪切强度等土体参数对立管动力响应、触地区疲劳寿命的影响，以及不同海床土强度和不同垂荡幅值情况下立管的动态响应及管土作用的荷载-位移关系曲线。结果表明，在非线性管土相互作用分析过程中，触地区的节点会经历不同的管土作用过程，证明采用的力学模型可以模拟立管触地点的移动。随着上部结构的运动幅值增加与海床土的强度的增大，立管的最大贯入深度也会相应的增加和减小。立管最大弯矩值和最大应力值主要受到上部结构运动幅值的影响，随着上部结构的运动幅值增大，立管的最大弯矩、应力值也会随之增大；②开展了小尺寸三维管土相互作用模拟试验研究，得到在三维简谐运动作用下立管触地区的应力分布，研究表明竖直方向的运动对立管的应力影响较大，受试验设备限制，几何比尺较小，难以反应实际；③建立了Spar-SCR整体分析模型，将二者作为一个整体，连接方式为固结，对CABLE3D程序进行了二次开发，其结果分别与浮体运动响应和运动耦合分析方法进行了比较，结果表明，整体分析方法能很好的反映结构之间的动力效应，但是结果偏于保守。.通过本项目的研究，建立了更符合实际的法向管土作用模型，为SCR特别是触地点疲劳分析和结构优化设计提供有力的理论依据和指导。