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近年来,伴随着全球对石油天然气能源的需求急剧增长,近海及陆地油气资源日趋减少,能源资源的开发必然走向深海区域。作为深海油气开发必不可少的重要设备,处于深海环境下的立管结构,由于长径比大,固有频率较低,易发生复杂的非线性流固耦合振动。当漩涡脱落频率与立管振动频率“锁定”时,结构的动力响应明显增大,导致立管疲劳损伤破坏加剧。立管损坏不仅会造成巨大的经济损失,还会由于油气的泄露造成海洋环境污染。 鉴于上述原因,在立管设计阶段通常较为保守,安全冗余度一般采用疲劳安全系数控制。海洋立管等构件的疲劳安全系数取值大多源于以往工程经验,尚未形成统一标准,而疲劳安全系数对结构冗余度以及经济性有较大影响。因此,有必要基于结构可靠性分析方法对深海立管涡激振动疲劳可靠性进行分析,并针对疲劳安全系数开展研究工作,确定其合理的安全水平。本文开展了以下研究工作: (1)基于圆柱体受迫振荡试验数据和能量平衡原理,建立深海立管横流和顺流方向涡激振动疲劳损伤预报程序,为本文后续的立管涡激振动疲劳可靠性研究提供了基础。 (2)引入载荷不确定量,并根据流体升力系数和流体阻尼系数的随机特性,分别计算了立管横流和顺流方向涡激振动载荷不确定量的变化规律,为后续立管涡激振动疲劳可靠性分析提供合理的参数输入。 (3)以顶张式生产立管和钻井立管为例,考虑环境、结构等随机变量的不确定性,将立管涡激振动各主要参数随机化,分别计算并对比了横流和顺流方向立管的涡激振动疲劳可靠性,应用响应面法建立了涡激振动疲劳安全系数与极限状态方程关系,分析了立管涡激振动疲劳安全系数与疲劳可靠性的关系,并研究了各随机变量参数随疲劳安全系数的不同对结构疲劳可靠性的敏感性,得到了一些有价值的结论。