基于OrcaFlex的钢悬链立管疲劳损伤预报 

侯 静1，康 庄2，井学斌3

（1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461） 

摘 要：涡激振动是钢悬链立管疲劳损伤的重要诱导因素之一，因此涡激振动分析在钢悬链立管设计中占据重要地位。OrcaFlex在海洋工程领域功能强大、应用广泛，能够提供两种涡激振动疲劳损伤预报方法，分别是基于模态叠加法的频域预报方法和基于Iwan-Blevins尾流振子模型的时域预报方法。OrcaFlex的涡激振动时域预报模型只考虑了横流向涡激振动造成的疲劳损伤，基于OrcaFlex的时域预报方法开发了双自由度涡激振动尾流振子模型的接口，考虑了浮式平台运动对钢悬链立管的涡激振动激励作用，实现了钢悬链立管双自由度涡激振动疲劳损伤预报。 

关键词：钢悬链立管；疲劳损伤；时域预报；涡激振动；OrcaFlex；尾流振子模型

钢悬链式立管管土耦合作用的吸力效应研究

白兴兰1,2，陈嘉明1,2

（1. 浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江 舟山 316022）

摘 要：钢悬链式立管（steel catenary riser，简称SCR）的流线段敷设在海床上，在浮体运动和环境荷载作用下管线作拔出海床的上升运动时，软质海床的黏性性质将阻碍管线的拔出而表现出吸力效应。吸力的大小与管线的拔出速度和管土循环作用次数、土的重塑时间等相关。基于现有试验数据拟合得到吸力数值模型，用于改进立管动力分析程序，研究立管拔出速度和管径等对触地区吸力分布、动态响应和疲劳寿命的影响。结果表明：海床土吸力对立管触地区应力特别是弯曲应力的影响较大，二者的变化趋势相似；管径的影响主要体现在贯入深度与管径的相对大小，同一贯入速度下，管径越小则相对贯入深度越大，拔出位移与吸力也会越大，反之则越小；立管的拔出速度是影响海床吸力最大值和拔出位移的主要因素，土吸力和拔出位移随拔出速度的增大而增大，导致触地区的疲劳损伤加剧。因此，探究管土耦合作用的吸力效应及其对SCR触地区疲劳损伤的影响，可为SCR与复杂海床相互作用及工程应用提供重要参考。

关键词：钢悬链式立管；吸力效应；管土耦合作用；触地区；海床沟槽

非平坦海床下缓波型立管转移过程中的参数分析 

曹建宇1，顾继俊1，曹喜平1，黄 俊2，杨清浩1

（1. 中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院，北京 102249；2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028） 

摘 要：随着海上油气田探索及开发水域不断加深，通常会遇到有坡度的海床，这对缓波型立管的安装转移提出了更高的要求。基于虚功原理和最小势能原理，建立了缓波型立管的力学分析模型。基于该模型在非平坦海床条件下对缓波型立管转移过程做参数分析，研究海床坡度角、安装船张力、浮筒段长度、船与平台的水平间距等参数对缓波型立管转移过程的影响。研究发现：随着海床坡度角的增大，立管转移过程中的拱弯弯曲程度加剧，上拱点、下垂点均上移，悬挂点张力及最大剪力均减小；在非平坦海床下，随着影响参数的改变，立管上拱点、下垂点和悬挂点张力变化的拐点和趋势不同。该结论为在非平坦海床海洋环境下缓波型立管的设计与应用提供一定的参考。 

关键词：非平坦海床；缓波型立管；安装转移；参数分析；海床坡度角

指数剪切流作用下海洋立管振动特性研究

周欣丹1，陈正寿1，姜 峰2

（1. 浙江海洋大学 石油化工与环境学院，浙江 舟山 316022；2. 太平洋海洋工程（舟山）有限公司，浙江 舟山 316057） 

摘 要：细长海洋立管在复杂来流作用下的涡激振动（VIV）是海洋工程领域备受关注的热点问题。采用双向流—固耦合方法，对立管在指数剪切来流作用下的涡激振动实施了数值仿真研究。基于均方根振幅包络图的显性模态分析发现，与线性剪切流工况相比，当流速较小时，立管模型在指数剪切流作用下振幅最大值相对较小；流速较大时，指数剪切流的非线性分布致使立管的振动响应增强。通过对立管模型均方根振幅包络峰、谷处的振动响应频率分析发现，在波峰位置处振动频率单一且较为稳定，而在相邻波谷位置处多频共存现象显著，两者有显著差异。沿管的轴向波形主要表现为驻波主导和驻波—行波混合模式，行波一般间歇发生，流速越大发生频次愈高，其在横流向的传播方向通常由高流速区段传递至低流速区段。指数剪切流作用下，沿管体轴向各截面位置处的旋涡脱落模式差异显著，高流速段尾流区的旋涡发放具有较强的周期性，涡管完整且与管轴存在一定偏离角度，低流速段蜂窝状离散涡旋较多。 

关键词：海洋立管；指数剪切流；涡激振动；流—固耦合；多模态响应

海洋纤维增强热塑性立管极限承载拉力预测方法

何杨烨，谭 健，韩元明，袁 坤，刘军鹏，安峰辰

（中国石油大学（北京） 安全与海洋工程学院，北京 102249）

摘 要：海洋新型纤维增强热塑性立管因其可盘卷、耐腐蚀、耐疲劳和轻质化等优点，在深水油气开发中应用前景十分广阔。热塑性立管具有复合材料的各向异性、受力耦合效应及复杂的本构关系，且承受浮体运动和复杂海洋环境载荷，其失效模式尚未明确。针对轴对称载荷作用下纤维增强热塑性立管极限承载力问题，进行热塑性管稳态热传导和热应力的理论推导，求解了稳态温度和应力分布，首次给出了在任意温度载荷作用下管体径向位移的解析解，并直接求解其径向、轴向、环向和剪切应力。采用各向同性层Von Mises和各向异性层最大应力（Max Stress）准则或Tsai-Hill准则判定热塑性管的失效，基于应力分布、失效准则和二分法计算了热塑性管的极限载荷。温度载荷、纤维铺设角度和径厚比对管道的应力分布影响显著。不同温度载荷会改变失效指数沿径向的变化趋势，增大轴向拉力将增大热塑性管的失效指数，选用不同的失效准则在管体失效判定上存在一定的差异。热塑性管温度越低、纤维铺设角越小及径厚比越大，管道对轴向拉伸载荷的承载能力越强。 

关键词：海洋立管；热塑性管；轴对称载荷；温度分布；失效分析；极限承载力

层间摩擦系数对非黏结柔性管抗拉铠装层轴压屈曲失效模式的影响研究

马维林1，田浩宇1，刘栋杰2，孙大林2，徐朋朋2，王 双3，杨永春1

（1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2. 无棣海忠软管制造有限公司，山东 滨州 256600； 3. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010） 

摘 要：在柔性管运输、铺设安装和服役过程中，由于其抗拉铠装层钢带为柔性细长螺旋结构，当外部载荷超过临界值时，抗拉铠装层钢带容易发生屈曲失效。考虑非线性材料、几何大变形、层间接触和摩擦等非线性效应的影响，运用ABAQUS有限元软件建立了63.5 mm典型非黏结柔性管8层完整结构模型，研究了在抗拉铠装层不同层间摩擦系数的情况下，非黏结柔性管在轴向压缩载荷作用下的力学性能和屈曲失效模式。研究结果表明，层间摩擦系数对非黏结柔性管的抗压刚度和抗拉铠装层屈曲失效模式有较大影响，层间摩擦系数以0.1和0.2为分界点，抗压刚度和屈曲失效模式均呈现出“三段式”变化规律。研究成果可为海洋非黏结柔性管的结构设计和屈曲失效评估提供技术参考。 

关键词：非黏结柔性管；抗拉铠装层；屈曲失效模式；轴向压缩载荷；层间摩擦系数

海洋纤维增强柔性管压溃失效特性研究及参数敏感性分析

卜嘉润1，陈海龙1，刘文成2，王树青2，丁果林1

（1. 中国船级社海洋工程技术中心，天津 300457；2. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100） 

摘 要：以一种黏结型的纤维增强柔性管作为研究对象，基于ABAQUS建立纤维增强柔性管的实体单元模型。根据二维 Hashin失效判据判断柔性管失效情况，充分考虑管道内外护套层塑性及纤维增强层复合材料渐进失效，建立纤维增强柔性管的压溃数值模型。将特征值法与弧长法相结合，计算得到了较为精准的纤维增强柔性管临界压溃压力及对应的外压—椭圆度曲线；并对影响柔性管临界压溃压力的几个敏感性参数如椭圆度、纤维缠绕角度、直线度进行分析。研究结果表明椭圆度和直线度偏差的增大及纤维缠绕角度的降低均会使柔性管的临界压溃压力下降，该结果对纤维增强柔性管的设计与使用均具有一定的参考意义。 

关键词：纤维增强柔性管；压溃失效；Hashin失效；弧长法；临界压溃压力；缠绕角度；海洋油气

基于神经网络优化算法的海洋动态缓波型立管设计

黄 松1,2，黄宇杰1，何杨烨1

（1. 中国石油大学（北京） 安全与海洋工程学院，北京 102249；2. 清华大学 能源与动力工程系，北京 100084） 

摘 要：柔性立管连接海上平台和水下生产系统，缓波型构型可以减轻其受到的顶部张力和疲劳损伤，触地点处系链对于固定水下立管起着重要作用，然而加装系链的缓波型立管系统设计更为复杂。通过缓波型基本理论计算出合理的立管初始状态，之后使用立管分析软件OrcaFlex，在充分考虑环境因素、船体结构、立管材料和线型以及重力块、浮力块、系链等配置参数的情况下，建立缓波型立管系统有限元模型，通过静动态分析验证其满足设定的关于立管构型、张力、弯曲半径，系链张力和FPSO 偏移量5个约束条件。结合神经网络优化算法和遗传算法制定出针对文中立管系统的优化算法并通过MATLAB编程将浮力块数量优化至最少，之后基于L-M算法构建神经网络模型，通过迭代训练提升精度，得到最终参数优化结果。通过对比优化前后静动态分析结果可知：优化后浮力块数量大幅减少，立管最大有效张力大幅减小，而悬挂段最低点深度有一定程度的增大，整体构型更趋向于合理的缓波型构型。 

关键词：缓波型立管；浮力块；动态响应；神经网络；优化设计

LNG低温复合软管疲劳特性及参数化分析研究

张 玉1，熊红祥1，程子云2，崔腾飞2，张飞凡1，方加瑜1

（1. 中国石油大学（北京） 安全与海洋工程学院，北京 102249；2. 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108）

摘 要：LNG低温复合软管具有强度高、重量轻、柔韧性好等优点，可以满足恶劣海况下LNG的输送需求，但其结构复杂，且面临多种耦合载荷作用下的疲劳失效问题。首先建立了LNG低温复合软管的有限元模型，研究了复合软管在弯曲和内压载荷下的力学响应和弯曲疲劳寿命特性；然后改变螺旋钢丝直径、预紧间距、导程和纤维层数及摩擦系数等参数，对软管的弯曲疲劳寿命进行了参数化分析。结果表明预紧间距、导程和纤维层数对复合软管的疲劳损伤影响显著：预紧间距增大时，复合软管疲劳损伤先增大后减小；导程减小或者层数增加时，复合软管的疲劳损伤会明显减小。摩擦系数对疲劳损伤几乎没有影响。研究成果可为低温复合软管的结构设计提供理论参考。 

关键词：LNG低温复合软管；强度分析；参数化分析；疲劳分析

波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散研究

朱红钧，黄 栏，高 岳，唐 堂

（西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

摘 要：由于氢气密度低，泄漏后的掺氢天然气在海洋波流作用下的浮升扩散行为有别于纯天然气，其泄漏扩散规律有待明晰。利用计算流体力学方法数值模拟了波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散的过程，结果表明气体泄漏的过程可分为泄漏初期、向上浮升以及横向迁移3个阶段。当掺氢比φH2<50%时，氢气泡的运动轨迹受天然气泡的影响显著。气体浮升高度和扩散直径的变化与时间成正相关，且随着掺氢比的增大，泄漏气体到达液面所需的时间延长。天然气泡和氢气泡直径在上升的过程中都逐渐增大，两者的浮升速度随浮升高度的增加先增大后减小，天然气泡的浮升速度衰减更快。氢气泡直径随掺氢量的增加而增大，天然气泡直径随掺氢量的增大而减小，两者的上升速度随着掺氢量的增大都表现出先增大后减小的趋势，且氢气泡的上升速度大于天然气泡的上升速度。波长和海流流速越大，泄漏气体的扩散直径越大。 

关键词：气体泄漏；掺氢混输；泄漏扩散；气泡浮升；氢气；天然气；海底管道

内压载荷下输氢复合柔性管力学性能研究

张吉祥1，安 晨1，邓海峰2，张爱霞3，张贝贝1

（1. 中国石油大学（北京） 安全与海洋工程学院，北京 102249；2. 中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451；3. 中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028） 

摘 要：中国氢能产业正随着碳中和愿景的不断推进而快速发展，由于氢气在钢管中容易引发“氢脆”现象，使用钢管输送氢气存在较大挑战，纤维增强复合柔性管作为一种非金属管道在氢气输送领域备受关注，其结构设计及强度分析是产业化应用的瓶颈。为探讨内压工况下输氢复合柔性管的结构响应，考虑不同层材料的各向同性及各向异性，基于三维各向异性弹性力学，建立了纤维增强输氢复合管道在内压作用下的力学理论模型，并采用数学方法求解管道位移微分方程，进而获得了N层缠绕增强层输氢复合管道在内压作用下的应力应变解析解，计算结果与内压作用下13层输氢复合柔性管的数值计算结果相符。管道的环向应力最大值出现在防渗透层，输氢软管的增强层承担约70%的载荷作用，径向应力绝对值大小随距离管道截面中心点的距离增大而减小。提出的力学行为分析模型及求解方法为设计输氢复合柔性管提供了重要的理论支撑。 

关键词：纤维增强；复合柔性管；输氢管道；内压载荷；理论分析

海洋原油外输软管拉伸刚度影响参数研究

汪利伟1，高 强2，徐勤亮1，李忠利3，汪 皓1

（1. 上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306；2. 上海建桥学院 机电学院，上海 201306；3. 河北泽邦塑胶科技有限公司，河北 衡水 053500）

摘 要：海洋原油外输软管广泛用于海上FPSO和油轮的原油外输，软管在海洋环境作用下会受到轴向拉力，拉伸刚度是影响轴向受力的关键结构性能参数。根据《API SPEC 17K》标准和《GMPHOM2009》规范的要求，需要确定软管的拉伸刚度。基于Rebar方法定义海洋原油外输软管的帘线增强层，利用有限元软件ABAQUS建立某国产海洋原油外输软管的轴向拉伸模型，并计算不同结构参数条件下的软管拉伸刚度。计算结果表明：帘线增强层是海洋原油外输软管的主要抗拉伸结构层，帘线铺设角度越小其拉伸刚度越大，软管抗拉伸能力对帘线层数比较敏感，帘线层数越多软管抗拉伸能力越强；螺旋钢筋层的钢筋直径和螺距在一定程度的拉力范围内与软管的拉伸刚度保持良好的线性关系，软管的拉伸刚度随着钢筋直径的增大而增大，随着螺距的增大而减小。研究结果可为海洋原油外输软管的结构设计和实际应用提供参考。 

关键词：海洋输油软管；有限元模拟；拉伸刚度；帘线增强层；螺旋钢筋

基于悬臂梁模型的管道矫直理论及有限元分析

许卫平1，徐爱进1，王创祎2，徐佳璐2，袁 林2

（1. 交通运输部上海打捞局，上海 200090；2. 天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350）

摘 要：海底管道的卷管铺设过程涉及多次正向和反向弯曲，并会产生较大的塑性变形。在铺设入水前，管道必须进行矫直处理，因此如何准确预测矫直过程中管道的力学响应以及如何对矫直器进行合理的设置具有重要意义。针对中国首艘卷管式铺管船“深达号”的矫直装置设计与典型工况，建立了一种基于悬臂梁的力学理论模型。该模型综合考虑了铺设过程中退卷和矫直的加载历程、管道材料的弹塑性特性以及校准器和上、下矫直器的相对位置关系。模型能实现对反弯半径及矫直器姿态等关键参数的计算。建立有限元分析模型，对理论模型进行验证并对管道矫直过程进行数值分析。结果表明理论模型可以准确预测管道矫直所需反弯半径、矫直器侧向行程以及倾角等参数。在管道矫直过程中，上矫直器处的作用载荷远大于下矫直器处。所提出的矫直理论模型可适用于不同尺寸管道的矫直分析，矫直后残余曲率满足DNV规范要求，预期可为“深达号”的实际矫直工艺设计提供指导。 

关键词：卷管铺设；管道矫直；塑性变形；悬臂梁；海底管道；有限元仿真

波浪式拖管法铺设海底管道力学性能研究

阮伟东，聂庆林，高小峰

（浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023）

摘 要：海底管道铺设是海洋油气资源开发的重要环节，传统的拖管法不能很好地适应海洋深度和复杂环境的变化。针对 Acergy公司在Girassol项目中提出的一种波浪式拖管方法，对其应用于2.0 km长海底管道铺设进行分析。首先，结合深水海洋环境特征，采用集中质量法建立管道拖航数值模型，并介绍管道、拖缆和浮筒力学计算及水动力荷载计算方法；其次，基于非线性有限元OrcaFlex软件对拖管过程建模，以模拟实际项目拖管过程；然后，通过对比相同条件下的单波式和双波式两种拖管方式，探讨管道和拖缆的动态力学性能变化；最后，针对不同浮重比、拖航速度、拖缆长度和悬垂角、海流流速和流向角等因素展开敏感性分析。结果表明：波浪式拖管法可以有效地降低施工时对拖缆的张力需求，但也会因此增加管道局部弯矩和应力响应；相对于单波式拖管，双波式拖管在缓解由于拖航速度等变化而产生的管道局部损伤效应上更有优势，并能较好地适应不同水深环境；复杂的海流工况对拖航时管道的力学性能影响十分显著，施工前应选择合适的铺设窗口期以防止管道产生损伤。 

关键词：海底管道；波浪式拖管法；管道铺设；集中质量法；拖航参数；海洋油气开采

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

夏日长1，崔少敏1，李立业2，王 林1，张颀枫1，周清基3

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；3. 天津大学 海洋科学与技术学院，天津 300072）

摘 要：研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床，梁单元模拟海底管道，设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程，解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明：海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感；管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小，呈现出线性变化的关系；当波高一定时，管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大，并且波高越小，最大侧向位移随流速增加的速度明显越大；管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小，并且呈现出线性变化的关系。 

关键词：海底管道；波流联合作用；海上油气；管—土相互作用；侧向位移

航道区碎石层对霍尔锚落锚条件下海底管道防护效果研究

王 懿1，黄 俊2，李丽伟2，邓卓远1，顾雨晨1

（1. 中国石油大学（北京） 安全与海洋工程学院，北京 102249；2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

摘 要：航道中船舶抛锚作业使海底管道可能受意外撞击，造成管道局部损伤甚至失效，进而对油气生产安全和生态环境等造成重大危害。采用碎石层防护是航道区等海域海底管道最常用的防护手段。首先基于大比尺落锚模型试验，观测了霍尔锚下落贯入碎石的3个阶段及其贯入过程中管道的应力应变状态。通过建立光滑粒子流体动力学法（SPH）和有限元法（FEM）耦合的数值模型，针对实际不同吨位通航船舶常用的霍尔锚，研究了其贯入碎石层深度及埋设管道受力和凹陷变形规律。最后分析了不同锚质量、碎石层形状和厚度等因素下埋设管道的响应规律。结果表明：采用暗埋式碎石防护层有利于撞击能量吸收，能更好地防护海底管道受损；且采用3 m以上碎石防护层能有效保护海底管道抵抗各类实际常见霍尔锚的撞击损伤。

关键词：海底管道；霍尔锚；落锚撞击；碎石防护；光滑粒子流体动力学法

海上浮式光伏结构及其水动力问题研究展望

耿宝磊1，唐 旭2，金瑞佳1

（1. 交通运输部天津水运工程科学研究院 港口水工建筑技术国家工程研究中心 工程泥沙交通运输行业重点实验室，天津 300456；2. 大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

 摘 要：淡水水体的浮式光伏发电技术弥补了传统陆基光伏的部分缺陷，在近十年的时间里得到快速发展，与此同时，将浮式光伏技术应用于海洋环境成为了各国学者面临的重要命题。海上环境不同于陆地，在同等光照条件下，海面开阔，日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高，发电量可以得到显著提升，但是如何保证海上光伏在极端自然环境下的生存是该项目未来能否实施的最大挑战。首先概述了浮式光伏系统的发展历程，分析了各类浮式结构的形式、特点及其对海洋环境的适用性；然后针对不同结构形式和不同锚泊形式的海上浮式光伏结构，重点围绕其在遭受波浪和风荷载情况下可能遇到的水动力问题和结构强度问题，从设计可行性的角度分析了国内外学者针对相关结构的一些研究成果；最后提出海上浮式光伏系统未来可能的发展方向。 

关键词：海上浮式光伏；水动力；波浪荷载；风荷载；结构响应