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导管喷射安装作业为无隔水管作业,导管依靠管柱自身的重力钻入地层,并通过地层对导管外壁的摩擦力支撑导管及后续作业载荷。目前国内外对该项技术的研究主要集中在导管的承载力分析及导管下入深度的设计研究方面,而对导管喷射安装过程中作业管柱的力学分析与控制方面研究较少。另外,虽然已有研究关注到深水送入管柱的轴向载荷大及受环境载荷作用的特点,但并没有形成一套适用于深水无隔水管送入管柱设计及强度校核的有效方法。 本文建立了喷射安装作业管柱纵横弯曲变形力学模型,利用加权残值法进行了求解。模型考虑了管内钻具组合与外层导管接触对管柱纵横弯曲变形的影响,分析了管内钻具组合上的钻头及稳定器与导管分离及接触情况下的边界条件和连续条件,并给出了内、外管柱整体变形计算的具体方法和流程。 针对导管喷射安装作业的不同工况,分析了水深、海流、平台偏移及轴向载荷对管柱纵横弯曲变形的影响规律。在导管喷射安装作业初期,中深层海流及平台偏移对导管入泥倾角产生较大影响;在作业后期,主要考虑各种因素对送入管柱强度的影响,送入管柱顶端的弯曲应力随平台偏移量的增大而增大,随水深的增加而增大。另外,在海流的作用下,轴向拉伸力越大,弯曲应力越小;而在平台偏移的作用下,轴向拉伸力越大,则弯曲应力越大。 建立了深水导管喷射安装作业管柱在平台升沉运动作用下的纵向振动力学模型,并根据管柱在不同作业工况下的边界条件求解了管柱的纵向振动载荷。对比了平台振动模式分别为正弦函数、调制函数及随机函数情况下的振动载荷计算结果,三种方法得到的管柱最大振动载荷相差不大,因此在以送入管柱设计为目的时,可以将平台的振动简化为正弦函数进行计算。 当导管下端自由时,管柱的振动载荷以其自身发生纵向振动产生的载荷为主;当导管下端固定时,管柱的振动载荷以平台升沉运动引起的管柱两端相对运动产生的载荷为主。对影响深水作业管柱纵向振动的各种因素进行了分析,作业管柱上的最大振动载荷随送入管柱截面积的增大而增大,随导管下深及导管尺寸的增大而增大;在平台振动幅值相同的情况下,水深越大,当平台在作业管柱固有周期附近振动时所产生的振动载荷越小;当平台的振动周期远离作业管柱的固有周期时则相反,即:水深越大,所产生的振动载荷就越大。当平台的振动周期远大于作业管柱的固有周期时,管柱的振动阻尼对轴向振动载荷的计算结果影响不大。 针对深水导管喷射安装作业管柱的载荷及环境特点,充分考虑了导管喷射安装作业的各种工况条件及深水无隔水管作业的环境载荷,提出了适用于深水无隔水管作业送入管柱设计与强度校核方法。该方法不仅能用于深水导管喷射安装作业,还能用于深水表层套管等其它深水无隔水管作业送入管柱的设计及强度校核。