坠物撞击海底悬空管道数值模拟研究

为研究坠物对海底悬空管道的撞击损伤规律,基于非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立考虑管土相互作用的坠物撞击悬空管道数值模型。经过数值模拟,探究了撞击能量、土体性质和悬空长度等对海底管道受坠物撞击后凹陷损伤的影响。研究表明,撞击能量是影响海底悬空管道损伤程度的主要因素,在同样的撞击能量下,海底悬空管道的悬空段长度对管道的凹陷损伤影响不大,但管道弹性变形以及海床的土体变形会有差异,虽然海床土体变形会吸收大量的撞击能量,但改变土体性质同样对管道损伤结果影响不大。研究结果可以为海底管道的工程设计提供一定的参考。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。     

基于跨航道抛锚作业的海底管道埋深研究

抛锚作业给跨航道海底管道带来的安全风险问题越来越引起人们的关注。为了加强海底管道防冲击能力、保障管道的安全运营,针对抛锚冲击作用下的管道埋深进行研究。通过建立小尺寸抛锚冲击管道实验平台,获得了冲击荷载作用下抛锚高度、管道埋深、堆石材质等参量对管道响应的影响。并基于正交实验原理,综合分析了不同参量对管道响应的敏感性。利用有限元法对抛锚冲击管道的过程进行瞬态动力分析,进一步研究了堆石材料力学特性对管道埋深的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,堆石层的材料特性对冲击能量的耗散起着重要作用。通过将数值分析结果与实验数据作对比,并结合DNV规范中的能量计算方法,提出了抛锚冲击荷载作用下管道最小埋深的计算方法。研究成果为海底管道的安全铺设提供一定的理论指导。     

坠物碰撞下海底管道凹陷及损伤区域数值模拟研究

基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件显示动力分析,采用非线性动态有限元法,对海底管道受坠物碰撞的动态过程进行数值模拟,对比分析坠物质量、坠物形状、轴向预加荷载因素对海底管道在撞击作用下凹陷及损伤区域的影响。结果表明:海底管道受撞击部位的凹陷及损伤区域随着坠物能量的增加而增大;坠物形状因素由于碰撞发生时接触面不同对管道凹陷及损伤区域造成不同的影响;海底管道内压的存在一定程度上抵抗了碰撞造成的局部塑性损伤变形;轴向受拉对海底管道损伤方面的影响很小可忽略不计;适当增加轴向压力可提升海底管道抗碰撞冲击能力而过大的轴向压力会加剧管道破坏。     

基于CEL法的埋深海底管道受坠物撞击损伤分析

海底管道一旦受到坠物撞击损伤,会造成严重的环境污染及经济损失,为保证管道在运行期间的安全性,常对其进行埋深处理。对于有埋深的海底管道,坠物的撞击会造成管道上覆土体的大变形,在数值模拟中会导致网格畸变,甚至无法收敛。耦合欧拉-拉格朗日法(CEL法)可有效处理土体大变形问题,本文基于此方法建立了坠物-管道-土体有限元模型,分析了坠物撞击速度、质量、形状、海床土体性质(弹性模量、内摩擦角、黏聚力)、埋深对海底管道塑性变形的影响。结果表明,管道的凹痕深度随坠物撞击速度和质量的增加而增加;坠物与海床土体及管道接触面积越小,管道的凹痕深度越大;管道的埋置深度及海床土体的性质对吸收坠物的撞击能量有直接关系:海床土体的强度越高、埋深越大,管道所受到的损伤程度越小。分析结果可为管道的设计与防护工作提供科学依据,且与现行规范比较,本文方法更加经济、合理。     

海底管道遭受船锚撞击的风险分析

坠锚事故容易对海底管道造成撞击损伤,引起环境污染及经济损失。为保证管道在运行期间的安全,有必要对其进行风险分析。基于可靠度理论,在DNV规范(DNV-RP-F107)推荐方法的基础上,本文提出了一种失效概率的计算方法,该方法可考虑船锚质量、尺寸及管道尺寸、材料强度等因素对失效概率的影响,与实际情况更相符。结合工程实例,对船锚撞击作用下的海底管道进行了风险分析。考虑随机变量的变异性,探讨了管道失效概率对各变量的敏感性。分析结果可为降低海底管道损伤风险及采取合理的防护措施提供技术参考。     

基于数值模拟的海底管道抛锚撞击机械损伤及其防护措施研究

采用三维非线性动态有限元方法对抛锚撞击海底管道进行模拟。建立霍尔锚模型,考虑管土相互作用,研究不同撞击能量下抛锚撞击管道的机械损伤(最大凹陷)变化规律。对不同防护措施的防护效果进行探讨,包括埋深、混凝土配重层、加大径厚比等措施。数值模拟结果与试验结果进行对比,两者结果吻合较好。结果表明:当锚与管道接触面积越小时,锚对管道的撞击凹陷越大;加大埋深对抛锚撞击管道有很好防护的作用;管道内压对抛锚撞击管道有一定的抵抗作用;混凝土配重层对防护抛锚撞击管道的防护作用不明显;增加管道壁厚是防护抛锚撞击管道的有效措施之一,也应考虑经济性。本文研究结果为实际工程中降低抛锚撞击管道机械损伤后果提供参考。     

基于风险的海底管道安全评估方法研究

海底管道系统技术复杂、安全性要求高、环境多变,从设计阶段开始一直到生产运行的全过程,始终存在各种风险。考虑到海底管道的这一特点,风险评估方法应该既要考虑理论分析又要重视工程经验的多方面、多层次的综合性评估方法。论文从分析海底管道失效因素入手,重点研究了海底管道风险评估的流程及风险等级的划分方法,为海底管道完整性管理提供了一种实用的评估方法,同时结合工程实例对一运行中的海底管道进行了风险评估。     

块石和混凝土排垫保护下海底管道落锚撞击变形响应研究

以往的海底管道落锚撞击防护数值模拟主要为单一保护层模型,这里则针对块石+混凝土排垫复合方案建立模型并开展防护性能研究。基于ABAQUS建立有限元数值模型,模拟了落锚、海底管道、海床土体、块石层和混凝土排垫组成的复杂系统相互作用,研究了管道壁厚、内压,落锚质量和撞击速度等因素对管道应变极值和管体凹陷变形的影响。与单纯块石层保护方案相比,采用的块石+混凝土排垫方案具有更优良的防护效果。研究结果表明：在撞击点处,管道的轴向应变和环向应变均达到最大值,且随着与撞击点距离的增加沿管道轴向逐渐减小;撞击结束后,管道上仍然残留一定的塑性应变。随着管道壁厚的增加,管道的最大应变和凹陷深度也随之减小;随着内压的增加,管道上最大拉伸应变变大,而最大压缩应变和凹陷深度减小。随着落锚速度或者质量的增加,管道上最大应变和凹痕深度均变大;在相同动能情况下,管道上的最大应变和凹陷值基本相同,也表明落锚动能是影响管道变形响应的控制因素。本文研究成果可为海底管道防护方案设计提供科学依据。     

近海捕捞作业区海底管线的定量风险评估

海底管线是海洋油气资源开发和利用的生命线。近海捕捞作业区遍布着纵横交错的海底管道网,且不断受到来自近海捕捞渔船的抛锚碰撞、拖网撞击及拖拽威胁,近年来频繁发生近海区海底管线的受损事故。研究近海捕捞作业对海底管线的影响,开展海底管线在捕捞作业方面的风险评估是十分必要的。针对近海捕捞作业对海底管线的两种损伤情况作概率计算和严重度分析,建立风险概率和损害等级的关系,得到风险评估矩阵,探讨近海捕捞作业区海底管线的定量风险评估方法。此方法可探讨的概率和严重度计算方法对近海区海底管线的风险评估具有一定的参考价值。     

An improved analytical approach for simulating the lateral kinematic distress of deepwater offshore pipelines

Offshore pipelines are critical infrastructures and any possible damage may have devastating financial and environmental consequences. Earthquake-related geohazards (such as strong ground motion, active seismic faults, submarine landslides and debris flows) consist crucial threats that an offshore pipeline has to overcome. The main aim of the current study is to examine analytically a seabed-laid offshore pipeline subjected to a lateral kinematic distress due to a submarine landslide or a debris flow. Extra emphasis is given on the impact of pipe-soil interaction on the pipe response, by the realistic representation of the soil resistance via a tri-linear model. Firstly, the proposed analytical model is validated with a numerical model utilizing the finite-element method. Subsequently, various combinations of soil parameters and loading conditions that affect the examined problem are investigated with realistic input data taken from the offshore section of the high-pressure natural-gas pipeline TAP (Trans Adriatic Pipeline) in the Adriatic Sea. Finally, useful conclusions are drawn regarding the applicability and the efficiency of the proposed approach.     

海底管线水平向整体屈曲及失效判断方法研究

海底管线是海洋石油的重要输运手段。为满足输送工艺的需要,正常工作条件下管线往往被施加较高的温度和压强,高温高压使管线内产生附加应力,当附加应力大于土体对管线的约束力时,管线就会发生整体屈曲。过度的水平向整体屈曲会导致截面产生较大的弯曲应力和压缩应变,对管线系统的安全运行造成威胁,因此需要对发生水平向整体屈曲后的管线进行验算。采用解析解法、规范法和有限元法对管线的整体屈曲进行分析,提出了应用临界屈曲荷载值域空间和值域下限来判断不同缺陷大小下管线是否发生水平向整体屈曲的方法。结合工程实例,分别采用内力控制标准和位移控制标准对管线水平向整体屈曲后是否失效进行了验算。研究指出,相较于位移标准,内力控制标准更为严格。     

海底管道受坠物锚击损伤试验与数值模拟研究

为探索海底管道在锚击作用下的损伤规律,通过海底管道损伤试验和数值模拟,研究了坠物质量、坠落高度和坠物形状对海底管道机械损伤的影响,并结合试验结果修正了Ellinas-Wallker公式。研究结果表明:管道的凹陷损伤随坠物质量和坠落高度的增大而变大;在相同质量的立方体、球体和模型锚三种形状坠物作用下,球体坠物对管道的损伤最严重;EllinasWallker公式计算结果偏于保守,修正后计算结果与试验和数值模拟结果吻合良好。研究结果可以为海底管道的工程设计及应用提供一定的参考。     

Lateral Global Buckling of Submarine Pipelines Based on the Model of Nonlinear Pipe–Soil Interaction

With the increasing development and utilization of offshore oil and gas resources, global buckling failures of pipelines subjected to high temperature and high pressure are becoming increasingly important. For unburied or semi-buried submarine pipelines, lateral global buckling represents the main form of global buckling. The pipe–soil interaction determines the deformation and stress distribution of buckling pipelines. In this paper, the nonlinear pipe–soil interaction model is introduced into the analysis of pipeline lateral global buckling, a coupling method of PSI elements and the modified RIKS algorithm is proposed to study the lateral global buckling of a pipeline, and the buckling characteristics of submarine pipeline with a single arch symmetric initial imperfection under different pipe–soil interaction models are studied. Research shows that, compared with the ideal elastic–plastic pipe–soil interaction model, when the DNV-RP-F109 model is adopted to simulate the lateral pipe–soil interactions in the lateral global buckling of a pipeline, the buckling amplitude increases, however, the critical buckling force and the initial buckling temperature difference decreases. In the DNV-RP-F109 pipe–soil interaction model, the maximum soil resistance, the residual soil resistance, and the displacement to reach the maximum soil resistance have significant effects on the analysis results of pipeline global buckling.     

A lateral global buckling failure envelope for a high temperature and high pressure (HT/HP) submarine pipeline

Submarine pipelines are the primary component of an offshore oil transportation system. Under operating conditions, a pipeline is subjected to high temperatures and pressures to improve oil mobility. As a result, additional stress accumulates in pipeline sections, which causes global buckling. For an exposed deep-water pipeline, lateral buckling is the major form of this global buckling. Large lateral displacement causes a very high bending moment which may lead to a local buckling failure in the pipe cross-section. This paper proposes a lateral global buckling failure envelope for deep-water HT/HP pipelines using a numerical simulation analysis. It analyzes the factors influencing the envelope, including the thickness t, diameter D, soil resistance coefficient μ, calculating length L_f, imperfection length L and imperfection amplitude V. Equations to calculate the failure envelope are established to make future post-buckling pipeline failure assessment more convenient. The results show that (1) the limit pressure difference p_max (the failure pressure difference for a post-buckling pipeline when it suffers no difference in temperature) is usually below the burst pressure difference p_b (which is the largest pressure difference a pipeline can bear and is determined from the strength and sectional dimensions of the pipeline) and is approximately 0.62–0.75 times the value of p_b and (2) thickness t has little influence on the normalized envelopes, but affects p_max. The diameter D, soil resistance coefficient μ, and calculating length L_f influence the maximum failure temperature difference T_max (the failure temperature difference for a pipeline suffering no pressure difference). The diameter D also significantly affects the form of the normalized envelope.     

带损伤海底石油管线的安全评估

综述了国际上在管线损伤方面的研究工作，供我国开展在役管线的安全评估时参考。     

Numerical Analysis of Seismic Dynamic Response of Saturated Porous Seabed Around a Buried Pipeline

The stability of submarine pipelines has been extensively studied by coastal engineers in recent years. Seismic-induced pore pressure and effective stresses in the saturated porous seabed and pipeline are the main important factors in the analysis of foundation stability around submarine pipelines. The majority research of the seismic-induced dynamic response around an offshore pipeline has been limited to two-dimension cases. In this paper, a three-dimensional finite element model including buried pipeline is established by extending DYNE3WAC. Based on the proposed numerical model, a parametric study is conducted to examine the effects of soil characteristics and pipeline configurations on the seismic-induced soil response around offshore pipelines.     

黄河水下三角洲海底管线差异沉降的安全性分析

针对胜利油田埕岛海域海床土体强度的非均匀性和可能引起的海底管线差异沉降破坏,提出1种海底管线差异沉降安全性分析方法.具体介绍差异沉降产生的原因,通过分析管线的受力状态,建立管线因差异沉降引起的附加应力的表达式.针对黄河水下三角洲埕岛油田常见的3种规格管线,建立不同土质条件下的管线附加应力表格,方便工程师查询.考虑附加应力和流体对管线的应力,与管线材料的允许应力比较,可以判断管线的安全性.