综合考虑液压气柱的张力-冲程非线性关系以及平台-张紧器-立管之间的运动耦合关系,建立带液压气动式张紧器的顶张式立管有限元分析模型。为了更加符合工程实际,该模型中考虑了立管的真实截面布置以及采油树的作用。对4种张紧器模型,即恒定集中力模型、传统的简化模型、线性弹簧-阻尼模型以及非线性弹簧-阻尼模型进行对比分析。结果表明:恒定集中力模型不能反映立管张力的变化规律,而且立管响应也存在较大差别,故不宜采用;传统的简化模型过高评估了张紧器的张力水平,有可能导致不准确的立管响应评估结果;线性弹簧-阻尼模型可用于环境条件较温和的情况;该研究建立的非线性弹簧-阻尼模型最能反映张紧器的刚度特性,且在极端载荷环境下尤为适用。

以顶张式立管液压气动式张紧器为研究对象,考虑张紧器中的摩擦、活塞和活塞杆的质量以及油管内的压力损失等因素,建立较为完善的张紧器张力的数学模型。通过静力和动力两种加载方式,将论文建立的模型与工程中常用的简化模型作对比研究,对张紧器的影响因素和张力特性进行分析。研究表明,简化模型计算得到的张力较实际张紧器的张力偏大。低压氮气的压力、活塞和活塞杆的重力和惯性力、摩擦力以及油管内的压力损失对张紧器的张力具有重要影响,在张力计算时应恰当地予以考虑。

本文针对带液压气动式张紧器的顶张式立管,综合考虑浮式平台-张紧器-立管之间的运动关系、液压气柱的张力-冲程非线性关系、立管的真实截面布置以及采油树的作用,建立更加符合工程实际的三维有限元分析模型,并通过与实验结果对比验证了该模型的正确性。基于该有限元模型,研究了张紧器的结构参数对顶张式立管动力响应的影响。结果表明:活塞和活塞杆的直径以及高压气体的初始压强对立管的动力响应影响最大;低压气体的初始压强以及液压气柱和立管之间的夹角对立管的动力响应也有重要影响;在相同的环境条件下,高压气体和低压气体的初始体积对立管的动力响应的影响较小。

为准确了解张紧器对立管静动力响应的影响以及处理传统分析时立管顶部简化处理的问题,本文充分考虑张紧器的作用,基于向量式有限元(VFIFE)法建立立管动力学模型,研究张紧器对立管静动力响应的影响以及对平台运动传递的规律。研究结果表明:本文建立的立管动力学分析模型能够有效考虑张紧器的影响;海流作用下立管的静力分析中,张紧器能提供更大的顶张力,从而减小立管的横向位移以及最大弯矩;波浪以及平台作用下的动态分析中,张紧器对平台纵荡的传递影响较小,对垂荡的补偿效应明显,补偿后的立管顶端位移远远小于平台运动幅值,并且在张紧器对顶部平台运动的缓冲作用下立管的位移和弯矩受平台运动影响不大。因此在分析中考虑张紧器对平台运动的传递补偿作用能更准确合理地施加顶张力以及平台运动,从而能更加有效的预测立管的响应。

针对500m水深顶张式立管,设计液压连接器模型,对拉、压、弯等各种受力状态进行分析,提出液压连接器密封结构在拉、压、弯等状态下可承受最大载荷的计算方法。液压连接器密封结构可承受的最大拉力取决于锁块危险截面的强度和锁块的伸长量;可承受的最大压力取决于金属密封圈的抗压强度与结构参数;可承受的最大弯矩取决于受拉最严重的锁块和受压最严重的金属密封圈部分。对液压连接器密封结构承载能力的分析,有助于对液压连接器整体承载能力的分析研究。