钢悬链立管的强度分析

1）分析准则

SCR强度分析标准有API RP 2RD和DNV OS F201。API RP 2RD采用许用应力法进行强度校核，而DNV OS F201采用荷载抗力分项系数法进行强度校核。

在SCR强度分析中需要考虑操作工况、极端工况、生存工况和水压试验工况。

表4-2列出了API RP 2RD中给出的不同工况下许用应力系数。

表4-2　SCR许用应力系数

注：许用应力系数=σallowable／σy，σallowable是许用应力，σy是材料最小屈服强度。

表4-3给出了典型SCR强度分析荷载工况矩阵。

表4-3　SCR强度分析荷载工况矩阵

除了满足压力标准外，SCR强度设计还应满足以下设计限制：

①柔性接头旋转角度的限制。在所有工况下，柔性接头旋转角度应不大于设计的最大允许转角。

②立管不能受压的限制。对于所有情况，最小有效张力应保持为正值，以避免立管局部发生屈曲。

2）分析方法

SCR强度分析应考虑以下内容：

①至少考虑浮体在远离、靠近和横向三个方向的偏移，如图4-6所示。

图4-6　浮体偏移方向

②对于FPSO来说至少考虑满载、半载和空载工况。

③所在工况都需要在十年一遇风暴或以上的环境条件下，并且在5～10个不同的随机种子的重现波浪下进行分析。

④对于单舱破损工况，在最危险的方向，可以于立管在浮体上的悬挂点直接输入最大静态横倾角。(www.xing528.com)

⑤在确定用于SCR强度设计的船舶运动时，可以比较保守地采用船舶垂向重心的变化。

3）分析模型

利用非线性有限元软件如Flexcom或OrcaFlex对SCR进行建模。

采用可变单元长度来最大化有限元分析效率，对关键区域进行网格细化以确保分析结果的准确性。在关键的悬垂段和触地区网格划分不能大于1.0 m，而在悬挂点附近的单元划分不能大于0.5 m。为了过渡平滑，相邻网格的比例保持在不超过1.5。

海床上的立管段需要有足够长度（对于深水立管初始设计可取200 m左右），以确保海床边界对计算精度的影响最小化。深入分析后，海床上的立管长度可根据立管在极端工况浮体偏移状态下，立管的最远端不会发生偏移和拉离海床来确定。

SCR顶部的柔性接头可以通过具有非线性旋转刚度的铰接元件来建模。对于立管与柔性接头的悬挂，应定义柔性接头的几何形状和材料特性，包括每个直线或锥形截面的内径和外径、材料强度和杨氏模量、力矩-挠度曲线和限制旋转角度。应该注意的是，强度分析和疲劳分析用的力矩-挠度曲线可以是不同的。

SCR的海底端可以全部固定六个自由度，强度分析使用弹性海床模型。

典型SCR静态形状如图4-7所示。

图4-7　典型SCR静态形状

4）分析步骤

对每个选定的SCR进行非线性时域有限元分析，评估立管在极端工况的响应下立管的结构完整性。分析将通过以下四个步骤进行。

（1）静态分析

确定SCR在任何船舶偏移、流作用下或动态之前的静态形状。

（2）静态流和偏移分析

确定应用特定船舶偏移量和流的SCR形状。每根立管的分析都需在远离、靠近和横向三个方向进行。

（3）动态分析

确定SCR状态和响应。船舶运动时间历程由总体分析生成，参考点（质量重心）也需要作为输入数据，生成时间历程的波浪是由100～200个规则波成分组成的离散波浪谱。立管强度分析中的波分量需要与浮体总体性能分析中使用的波分量具有相同的振幅、频率和相位角，以确保立管强度分析与浮体总体性能分析一致。对所有情况进行3 h的时域分析。

（4）后处理

所在工况都需要在十年一遇风暴或以上的环境条件下，并且在5～10个不同的随机种子的重现波浪下进行分析。对于使用不同随机种子的分析结果，可以取其平均值作为极值。