深水S-lay管道形态和内力分析的分段解析方法

考虑深水S型铺设中离散均布托辊对上弯段管道的支撑作用,提出了管道铺设形态和内力的分段解析求解方法,通过迭代搜索算法确定管道最佳反弯点和升离点的位置,结合刚性悬链线理论和欧拉梁弯曲理论,推导了管道的变形和内力的解析表达式。依据所建立的分段解析方法编制了相应的数值计算程序,以某3 000 m水深铺设12英寸管道为例,计算了管道形态和内力响应,与商用有限元软件的数值分析结果进行对比,表明了分段解析方法的准确性和有效性。建立的方法具有较高的计算效率,为进一步开展S型铺设参数的优化或可靠性研究提供了有力的手段。     

海底管道收弃管作业分析

为保证海洋管道在收弃管作业过程中不发生屈服,利用样条函数配点法分析了管道为形,利用线性积分法分析了缆索的收放和受力,以图表的形式给出了管道和缆索的受力和变形、铺管船的运动以及Ａ／Ｒ绞车的拉力之间的关系。     

深水海底管道S型铺设参数敏感性分析

以深水海底管道S型铺管法为研究对象,运用悬链线理论建立管道的静平衡微分方程,通过理论分析给出了迭代求解管道整体形态的数值计算方法,并开发相应的计算分析程序,分析了不同参数对张紧器张力和管道极限铺设水深的影响.结果表明,随着管道铺设水深、管径和壁厚、混凝土配重层厚度的增加,所需张紧器张力明显增大;当托管架底部倾角较大时,控制应变越大管道所需张力越小;当托管架底部倾角较小时,管道初始倾角越大、托管架半径越小管道所需张力越小.此外,管道的浮重度、托管架长度和半径、张紧器张拉能力、管道初始倾角对极限铺设水深有着重要的影响.     

蛇形铺设管道触发水平向整体屈曲效果研究

海底管道在深海石油开发工程中有着广泛的应用,管道在工作时受到高温高压会触发水平向整体屈曲变形,蛇形铺管法是控制管道水平向整体屈曲变形的有效手段。采用数值模拟方法,对蛇形铺设管道的关键参数进行研究,分析关键参数对临界屈曲荷载和屈曲后截面应力应变状态的影响。对每一组蛇形铺设管道都设置了直线型铺设管道的对照组,对照组采用引入初始挠曲的方法激发水平向整体屈曲,初始挠曲程度与蛇形铺设管道相同。通过与直线型铺设管道的对比,显示了蛇形铺设管道在激发和控制屈曲方面的优势,并对不同土体阻力情况下蛇形铺设管道的实际效果进行了评估。结果表明,蛇形铺设管道的临界屈曲力和屈曲后的弯矩皆远小于直线型管道。蛇形铺设管道的临界屈曲力随圆心角θ增大而减小,随曲率半径R的增大而增大。增大跨度L、曲率半径R和圆心角θ都能有效减小蛇形铺设管道的截面弯矩。水平向土体阻力对蛇形铺设管道影响较大,水平向土体阻力较小时,蛇形铺设管道控制屈曲的效果更为明显。     

深水S型铺管中残余变形对屈曲压力的影响

随着S型海管铺设逐步走向深水,管道在铺设过程中承受的荷载增加,发生一定程度的塑性变形。本文讨论S型铺设引起的残余塑性变形对管道屈曲承载能力的影响。首先基于壳单元建立"管道-托辊"相互作用的局部有限元模型,分析了管道在铺设过程中的受力状态,获得了管道的残余塑性变形。然后以该残余变形作为管道非线性屈曲分析的初始缺陷,基于改进的RIKS方法计算了管道的临界屈曲压力。研究结果表明,铺设残余塑性变形在一定程度上削弱管道的承载能力,在深水铺设中应予以考虑。     

海洋管道S型铺设过程研究

随着海洋科学技术的发展和人类对于海洋油气资源认识的不断增加,海洋油气资源的开发从近海走向远海。作为海洋油气运输主要方式的海洋管道,其铺设问题成为焦点。常见海洋管道工程铺设方法为:拖曳铺设、卷筒铺设、J型铺设、S型铺设。通过引入先进的国际海洋工程软件OrcaFlex并结合国内外关于海洋管道铺设的工程手册及相关规范、标准,如DNV、API、AWS等,实时模拟研究S型海洋管道铺设过程。结合作者工作经历及实际海洋铺管工程背景算例分析,研究铺管上弓段接触点、悬垂段及触底段在铺设过程中的各自静力、动力特性。对海洋管道S型铺设过程中应该注意的一些有关设计、工艺和HSE低成本安全高效铺设等方面提出几点有用的意见。     

深水管道S型铺设监测研究

目前,深水管道S型铺设取得了优异的铺设成果,逐渐成为深水海底管道铺设的重要方法,但其铺设环境复杂,上弯段管道与托管架动态接触,现有分析手段无法有效模拟。同时,S型铺设关键设备的设计技术还不成熟,没有相应的设计规范。首先对深水管道S型铺设开展监测研究,提出了深水管道S型铺监测方案,最后利用实验室模型实验验证了该方案的可行性,可以为深水S型铺设关键设备的设计提供必要的设计数据。     

海底管道在铺设过程中的二维静态分析

管道在铺设过程中的二维静态问题是一个大挠度非线性、两点边值问题。本文提出了该问题的力学方程及边界条件,用逐步积分法求得了结果。     

地下流稳定问题的样条函数解法

提出求解地下流稳定问题的一种新方法——样条函数法,该法较其它算法有计算精度高,程序易于编制,边界处理灵活等优点。     

海底管道检测与三维点云重建算法

随着海底油气管道的铺设规模越来越大,为防止管道油气泄漏而导致人员伤亡和财产损失,海底管道的日常巡检尤为重要。提出一种基于多波束点云的海底管道检测与三维重建算法,利用高频多波束声纳对水下管道进行成像,对声纳图像采用经典边缘检测算法检测管道边缘,得到相应的点云数据,将点云数据拼接成一组完整的空间点云集合,对点云集合进行三维重建。通过水池试验结果证明,提出的算法流程能够有效地实现水下管道的检测与三维重建,具有较好的工程应用前景。     

海底管道悬空防护与治理措施浅谈

为了治理一直困扰茂名30万t单点码头的海底管道悬空问题,首先分析了海底管道埋藏状态的识别方法,对国内外海底管线各种悬空治理措施的优缺点和适宜海域进行汇总。在对茂名30万t单点码头海底管道开展了多次路由调查的基础上,针对悬空路段,分别采用人工海草、沉排、碎石回填等不同的防护措施。结果表明,人工海草确实具有明显的降低流速和促进泥沙淤积的功能,但潜水员水下作业工作量较大,不宜在水深大于40 m的海域进行,应避开拖网捕捞海域。水泥沉排在水下较稳定,可有效保护海底管线免受外来损害,但是回淤促淤缓慢。当海床承载力足够时,采用碎石回填办法进行海管维护比较有效,冲刷坑填埋充实,可广泛用于修正悬空。     

悬跨海底管道疲劳寿命分析研究

海底管道在服役期间由于各种原因会在某些管段形成悬跨。这些悬跨在海流力作用下，将产生涡激振动。这种涡激振动最终可能导致管道疲劳失效。管道在海流力作用下发生的涡激振动是管道振动和漩涡尾流振动耦合的结果。在建立管道振动模型和Matteoluca尾流振子模型基础上，对管道涡激振动动力响应特性进行分析。依据Miner线性损伤累积理论，采用S—N曲线法分析计算管道疲劳寿命。最后，针对海洋油气开发与生产，提出延长海底管道疲劳寿命的方法和措施。     

声学探测技术在海底石油管线铺设后调查中的应用

海底石油管线铺设后可能多会出现不同程度的损伤、变形、冲刷、偏移、悬跨等情况,这通常是铺设过程中管线受到物理、化学、机械等因素的影响造成的。为避免作业风险和海洋环境污染,需要在管线铺设后对其铺设状态进行完工后调查,以便及时了解海底管线的实际情况,并根据调查结果采取相应的维护措施。本文根据管线后调查的工作需求,从声学探测技术的工作原理出发,研究并比较分析了4种声探测技术的优势与局限性,提出在海底管道检测时将各种探测手段配合使用,使各手段“取长补短”,可有效提高探测效率。并利用工程实例验证方法的有效性与可行性;在实例验证过程中,还明确给出了相关数据的处理分析方法,得出将多种声学探测设备得到的数据进行综合分析并相互校核,可有效提高测量数据精度。结果表明应用水声探测设备开展后调查的方法同时满足准确和高效率要求,可有效支撑海底管线铺设后状态评价工作。     

Hydrodynamic Forces and Instability of Submarine Pipelines Under Waves and Currents： A Review

Stability design of submarine pipelines is a very important procedure in submarine pipeline engineering design. The calculation of hydrodynamic forces caused by waves and currents acting on marine pipelines is an essential step in pipeline design for stability. The hydrodynamic forces-induced instabilities of submarine pipelines should be regarded as a wave/ current-pipeline-seabed interaction problem. This paper presents a review on hydrodynamic forces and stability research of submarine pipelines under waves and currents. The representative progress including the improved design method and guideline has been made for the marine pipelines engineering design through experimental investigations, numerical simulations and analytical models. Finally, further studies on this issue are suggested.     

含有腐蚀缺陷海底管道极限载荷分析

利用有限元弹塑性分析方法,对含有腐蚀缺陷的海底管道进行材料非线性和几何非线性分析,探讨了确定管道极限载荷的准则。在此基础上,给出含有腐蚀缺陷的海底管道的极限载荷,研究腐蚀长度、深度和宽度对海底管道极限载荷的影响,提出了含有腐蚀缺陷的受内压的海底管道的极限载荷计算公式,并与试验结果进行了比较,证明该方法是有效的。     

含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解

未埋设的海底管道在高温高压运行条件下可能发生侧向屈曲,情况严重时影响海底管道的结构安全。侧向屈曲临界力作为判定海底管道发生侧向屈曲的重要依据,主要影响因素有初始缺陷、管土相互作用等。现有关于侧向屈曲临界力的公式并未考虑管土相互作用、缺陷不平直度和管道自身材料特性对侧向屈曲临界力的综合影响。建立含有通用几何初始缺陷海底管道的数值模型,使用Riks算法进行参数分析以研究极限侧向土壤阻力、管道缺陷不平直度和截面几何尺寸对海底管道侧向屈曲的具体影响。基于量纲分析法和多元线性回归,推导出海底管道侧向屈曲临界力关于上述3个影响参数的一般公式,并对该公式进行了检验,结果表明文中推导的公式在参数涵盖的研究范围内有效。     

侧扫声纳在海底管道悬空调查中的应用

海底管道在铺设及运营过程中,受各种因素的影响,会形成部分悬空状态。为保证油管的安全运营,研究了一种基于声学的快速检测方法:主要利用侧扫声纳获取油管附近声学影像,通过数据判读的方法分析并获取管线状态。然后使用该方法,在册镇海底管线调查中进行了应用测试。声学检测结论与水下探摸结果进行比较,测试结果表明该方法可高效、快速、准确并低成本地检测管线状态,可为海底管道运营与治理提供有力的技术支持。     

海底水平管线回流区水流特性研究

针对管线绕流剪切层区的水流特征,利用射流分析的类似方法,通过简化控制方程,从理论上探讨了剪切层区的时均速度分布规律。物理试验中采用ADV测速仪对回流区流场进行了测量,对各流区流速和紊动强度变化趋势进行了讨论,并将试验结果与理论推导进行对比,二者基本吻合,为进一步研究海底管线防护措施提供了理论依据。     

考虑阻尼海底悬跨段管道的动力特性及允许悬空长度

以海底悬跨段输液管道为研究对象,考虑管道结构阻尼、流体附加阻尼、管内流体流动及管道轴向力和压强的作用,对其进行受力分析,导出管道振动微分方程,进而得到管道动力特性方程。用Hermit插值函数对管道的动力特性方程进行离散得到有限元表达式,采用复模态分析法,求得管道的自振频率。为防止管道发生横向涡激振动,用约化速度作为控制条件,确定管道允许悬空长度。结果表明,管道允许悬空长度随着内流流速、轴向压力和管内压强的增加而减小,随着轴向拉力的增加而加大。