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塔式立管是一種以剛性立管作為主體部分，通過頂部浮力筒的張力作用，垂直站立在海底，以跨接軟管作為外輸裝置與海上浮體相連接的立管結(jié)構(gòu)形式。集束塔式立管與單根塔式立管的主要區(qū)別在于集束塔式立管的垂直主體管是由多根不同用途的立管集成的，與單根塔式立管相比用途更廣泛并且效率也更高。本研究給出一種計算集束塔式立管總體強度的有限元分析方法，為集束塔式立管和集束管線的分析提供了參考。
集束立管的建模技術包括兩種，一種是等效建模技術，另一種是多管建模技術。若采用多管建模技術，則可應用ABAQUS提供的多點約束或者管中管接觸單元進行具體而直接的模擬。采用等效建模技術，將多管的慣性矩和質(zhì)量等效為單管，該方法計算效率與精度均較高。集束塔式立管在強度分析時，需要考慮垂直主體管中不同類型的立管的強度是否滿足規(guī)范要求。圖給出集束塔式立管強度分析基本流程。等效依據(jù)以下基本原則：圓管的慣性矩等效，即“等效管”截面彎曲慣性矩與集束管內(nèi)各管截面彎曲慣性矩之和相同。即質(zhì)量等效，即“等效管”以及內(nèi)部流體質(zhì)量與集束管內(nèi)各立管及其內(nèi)部流體質(zhì)量之和相同，且等效圓管的外徑與實際集束塔式立管各管的最大外徑相同。即：以上各式中W分別代表各管的單位立管質(zhì)量(含內(nèi)部流體重量)；D代表各管的外徑；d代表各管的內(nèi)徑；P代表各管的內(nèi)流密度。臍帶纜的單位質(zhì)量一般由生產(chǎn)廠家直接提供。
利用式可以得到“等效管”的內(nèi)徑和內(nèi)部等效流體密度。實際工程中，更關心的是塔式立管垂直主體管內(nèi)部的各種立管的設計是否滿足APIRP2RD規(guī)范要求。下面給出各種應力的計算方法：其中BM表示立管彎矩；OD表示立管外徑；WT表示立管的慣性矩。通過以上公式可得出各立管與“等效管”的各種應力的關系。
下面給出一個集束塔式立管總體強度分析的實際工程算例，進一步說明該分析方法。本研究的集束塔式立管，取水深為500m，塔式立管主體管是由一根中心管、兩根生產(chǎn)立管、一根輸水管一根氣舉管、兩根臍帶纜以及管體周圍的浮力塊組成的。塔式立管主體管相關參數(shù)和截面布置圖如下表所示。根據(jù)前面的理論方法，可以得出塔式立管“等效管”的相關參數(shù)見表。強度分析中研究的洋流數(shù)據(jù)和波浪數(shù)據(jù)分別為極限洋流數(shù)據(jù)(見表)和極限波浪數(shù)據(jù)(見表)。塔式立管總體強度分析，目的是在不同工況下，分析塔式立管垂直主體管總體強度及跨接軟管的最小彎曲半徑是否滿足規(guī)范要求。強度分析主要包括如下內(nèi)容：壓力測試工況(LC01)，波浪與洋流為1年一遇，錨鏈和浮力筒完好，內(nèi)壓是設計壓力的1.25倍，運行工況(LC02)：波浪為10年一遇，洋流為1年一遇，錨鏈和浮力筒完好，內(nèi)壓為設計壓力；(3)極限工況(LC03)：波浪為10年一遇，洋流為1年一遇，錨鏈和浮力筒完好，內(nèi)壓為設計壓力。利用有限元軟件QrcaFlex建立有限元模型，根生產(chǎn)立管、一根注水管、一根氣舉管和兩根臍帶纜共為集束塔式立管整體有限元模型圖�？缃榆浌苁怯蓛�6根軟管組成的。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術服務與解決方案
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