立管作为连接海洋平台与海底管道的关键组成部分,是油气开采的核心装备。随着油气资源开发不断向高纬度地区进行,冰荷载逐渐成为控制荷载,海洋立管的抗冰性能在油气开采装备的抗冰设计中至关重要。海冰荷载对结构的作用力受冰速效应影响较大,因此冰荷载模型的确定、稳态振动发生的条件是海洋立管抗冰性能研究的重点。本文主要通过模型试验和数值模拟的手段对立管这类直立柔性结构的冰荷载进行研究,为海洋立管的抗冰设计及安全评价提供参考。本文研究内容包括:1.明确极地钻井立管的力学特性。极地钻井立管是典型的柔性结构,海冰与该类结构相互作用机理复杂。通过对比渤海的海洋平台、风电基础与极地钻井立管的基本特征,明确了极地钻井立管的力学特性,研究海洋立管抗冰性能首先需要确定海洋立管所受冰荷载。2通过模型试验研究极地钻井立管的冰速效应。通过模型实验,分析了不同冰速下,特定的极地钻井立管在平整冰作用下的冰力模式。分析快、中、慢三种冰速下的冰力模型,探究冰激稳态振动发生时的可能的冰速范围。结合理论计算,确定了极地钻井立管的与平整冰作用的时应力场等效长度。3.通过离散元模拟分析钻井立管的冰荷载。使用离散元软件Ice DEM对浮冰碰撞问题进行研究,统计浮冰碰撞时间分布,分析不同冰速、冰厚、平均浮冰大小和密集度的浮冰对冰力大小的影响。同时分析了水线处水平刚度更小、基频更低的极地钻井立管的冰速效应以及稳态振动发生范围。4.对风电场升压站平台电缆管的抗冰性能进行研究。分析了结构在静冰力作用下和结构发生冰激稳态振动时的响应,对此类电缆管的抗冰性能进行了评价。最后,对立管群的冰堆积过程及分析方法进行了探讨。