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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(jì)算集束塔式立管總體強(qiáng)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(shù)包括兩種，一種是等效建模技術(shù)，另一種是多管建模技術(shù)。若采用多管建模技術(shù)，則可應(yīng)用ABAQUS提供的多點(diǎn)約束或者管中管接觸單元進(jìn)行具體而直接的模擬。采用等效建模技術(shù)，將多管的慣性矩和質(zhì)量等效為單管，該方法計(jì)算效率與精度均較高。集束塔式立管在強(qiáng)度分析時(shí)，需要考慮垂直主體管中不同類型的立管的強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。圖給出集束塔式立管強(qiáng)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(shí)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(shí)際工程中，更關(guān)心的是塔式立管垂直主體管內(nèi)部的各種立管的設(shè)計(jì)是否滿足APIRP2RD規(guī)范要求。下面給出各種應(yīng)力的計(jì)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(yīng)力的關(guān)系。
下面給出一個集束塔式立管總體強(qiáng)度分析的實(shí)際工程算例，進(jìn)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(guān)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(guān)參數(shù)見表。強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度及跨接軟管的最小彎曲半徑是否滿足規(guī)范要求。強(qiáng)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(shè)計(jì)壓力的1.25倍，運(yùn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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。跨接軟管是由兩6根軟管組成的。
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