文档介绍：51 卷第 1 期(总第 189 期) 中国造船 (Serial No. 189)
2010 年 3 月 SHIPBUILDING OF CHINA Mar. 2010
文章编号:1000-4882 (2010) 01-0073-05

波浪作用下海洋立管试验研究及 ANSYS 数值模拟

娄敏 1,董文乙 2,郭海燕 3
(1. 中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营 257061;
2. 海洋石油工程(青岛)有限公司,山东青岛 266520;
3. 中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071)

摘要
海洋立管在石油工业生产中有着非常广泛的应用,同时也是薄弱易损的构件之一。立管管内有高温高
压的流体流过,管外承受海洋环境荷载尤其是波浪荷载的作用,受力比较复杂。由于中国大部分的海上油
田水深都比较浅,所以重点研究浅水中的海洋立管。运用相似理论将实际立管模型缩放为试验模型,在管
内流体流动及管外波浪荷载作用下,测量立管动力响应,并与 Ansys 有限元数值模拟结果进行了比较。

关键词:海洋立管;波浪;动力特性;动力响应
中图分类号:TE951 文献标识码:A

0 引言
海洋立管系统是连接海洋平台和位于海床的海底设备(如井口、PLEM、总管)的导管,是石油开
发中油气运输的关键构件,同时也是薄弱易损的构件之一。处于海洋环境中的海洋立管所承受的荷载
有风、浪、流、冰和地震等荷载,其中最重要的是波浪和海流。波浪是由风或者其他自然原因而产生
的水体的垂直周期性振荡,其本身是一种不稳定的非均匀流动。在近海工程中,波浪力是作用在海工
结构物上的一项主要外荷载。对于海洋立管在波浪力作用下的振动,国内外学者已进行了几十年的研
究,在理论及工程应用上积累了宝贵的经验,研究成果较多。
Kirl 与 Etok[1]于 1979 年采用频域分析方法计算波浪力对立管的作用,首先采用 Rayleigh-Ritz 方法
计算管道的自振频率及多频率振动响应方程,然后根据给定的波浪谱计算结构所受的波浪力;
Krolikowski 与 Gay[2]将波浪力阻力项线性化,忽略其高阶项,然后用频域法求解立管振动响应;Langley[3]
采用最小误差法将波浪力阻力项进行线性化,然后通过频域方法求解立管振动响应。
Gardner 与 Kotch[4]采用时域方法研究海洋立管在波浪力作用下的动力响应,首先运用有限元法划
分单元,然后运用 Newmark-β法在时域内进行积分来计算立管的振动响应;Patel and Jesudasen[5]也是
采用 Newmark-β法在时域内进行积分,而且在每个荷载步都对刚度矩阵进行重新计算;而 Natvig[6]采
用 Wilson-θ法在时域内进行积分计算;Malahy[7]考虑立管的伸长及扭转在三维空间内运用 Newton 方

收稿日期:2008-12-16;修改稿收稿日期:2009-11-11
资助项目:“863”资助项目(2006AA09Z356)
74 中国造船学术论文

法进行积分计算立管振动响应;1993 年 Duggal, [8]等人对单个及并排的海洋立管在