非对称局部壁厚减薄海底管道的屈曲分析

在深海环境中,海底管线不仅承受较高外压,还会因为海水及运输介质的常年侵蚀而形成腐蚀缺陷,而腐蚀缺陷往往会导致管道的外压承载力下降。基于壳体稳定性理论,建立了含有非对称局部壁厚减薄管道在外压作用下的屈曲压力理论公式。公式具有广泛的适用性,当内、外局部壁厚减薄深度相等时,可用于计算含有对称局部壁厚减薄管道屈曲压力,而当内部或外部缺陷深度为零时,便可用于计算只含外部或者内部腐蚀缺陷的管道屈曲压力。通过有限元分析验证了该公式的正确性,结果表明公式可以准确预测不同缺陷位置及尺寸时管道的屈曲压力。详细研究了局部壁厚减薄缺陷位置、长度和深度等参数对屈曲压力的影响。研究表明,局部腐蚀对管道的屈曲压力产生重要影响,尤其当腐蚀角度和深度较大时,在腐蚀形成初期就会造成管道的承载力急剧下降,并且管道的屈曲压力与缺陷的径向位置有关,腐蚀缺陷位于管道外侧时的屈曲压力明显大于其位于管道内侧时的屈曲压力。     

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。     

水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响

系泊系统的定位能力是浅水油田作业的软刚臂式单点系泊FPSO安全作业的重要保障,为研究不同水深/吃水比下单点系泊系统的受力性能,针对一艘16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法,建立FPSO-系泊腿-软刚臂的耦合模型,采用Newman近似法和Pinkster近似法分析了FPSO所受二阶波浪力,在时域内计算了不同水深/吃水比对系泊系统动力响应性能的影响。结果表明,随着水深/吃水比的增加,Newman近似法计算得到二阶波浪力先增大后减小,引起单点系泊系统载荷先增大后减小;而Pinkster近似法计算得到的二阶波浪力逐渐减下,引起单点载荷逐渐减下。在浅水条件下,Pinkster近似法具有较好的适用性,Newman近似法严重低估了FPSO所受的二阶波浪力;在深水条件下,Newman近似法能满足工程计算的要求;适用两种方法的临界水深/吃水比为1.64。     

双层自行式施工平台结构强度评估

以一种适合港口施工作业的新型自行式施工平台为研究对象,介绍了该型平台特点与工作流程。根据其工作行走状态及载荷特点,使用有限元方法分析多工况下平台的结构屈服强度,并根据规范进行平台和桩腿结构屈曲评估。该平台由上下两层平台组合而成,针对此平台上下层接触的特点,探讨了不同类型MPC,ABAQUS接触分析的结构强度计算结果。研究对自行式海洋平台设计具有借鉴意义,并对平台结构强度计算研究提供了一定参考。     

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。     

张力腿式浮式风机耦合动力响应理论模型与数值实现

针对张力腿结构动力响应特点,提出一套张力腿式浮式风机动力耦合理论模型,编制计算程序,并通过与实验结果的对比,验证理论模型以及程序的适用性。张力腿式系泊系统稳定性好,但张力载荷随平台位移的变化显著;张力腿结构的动态响应与支撑平台和风机系统动态响应存在显著的耦合作用。针对张力腿浮式风机动力耦合特性,采用谱方法对张力腿结构建立耦合动力模型;考虑细长体在波浪中受到的粘性力,通过哈密顿原理推导出张力腿运动控制方程,利用自主开发的计算程序DARwind和数值计算方法求解系统动态响应。最后,将数值计算结果同UMAINE的试验数据进行对比分析,以验证程序的合理性。     

大型石化CFG桩复合地基现场试验与数值模拟

CFG桩在地基处理工程中已越来越广泛应用,针对大型炼厂工程地基处理的复杂性,开展了CFG桩施工前后的标准贯入、重型动力触探及施工后的单桩和复合地基静载荷试验,基于标准贯入和重型动力触探试验结果分析了CFG桩对桩间土的影响。以单桩和复合地基载荷试验结果对大型油罐CFG桩复合地基承载能力进行了评价,并与理论估算进行了对比。此外,建立了CFG复合地基的三维有限差分模型,对桩身6m以下不同厚度的软土夹层对CFG桩复合地基的影响进行了详细分析,进一步验证现场试验结果,得出一些结论。标准贯入和重力动力触探试验结果揭示CFG桩对桩间土未有明显的挤密效应;静载荷试验结果表明,CFG桩复合地基承载力能达到设计要求;现场试验和数值模拟结果揭示桩身10m以下软土夹层不会明显影响复合地基的承载特性。     

导管架平台拆除过程稳定性及影响因素分析

现有服役海洋平台正逐步走向老龄化,海洋平台拆除成为海洋工程新的经济增长点。针对达到服役年限的导管架平台,基于数值分析方法模拟拆除过程,开展平台在不同拆除阶段和环境载荷等参数下的稳定性及影响规律研究。基于钢结构整体稳定性理论,以导管架平台拆除过程中顶点位移为参考,定义导管架平台拆除作业稳定性指标,提出拆除作业阶段划分方法,通过分析导管架平台在不同影响因素作用下拆除过程稳定性响应,给出拆除作业建议。选取我国南海某4裙12腿进行实例分析,结果表明:主桩腿对导管架平台起决定性承载作用,拆除部分主桩腿后需要引入外部支撑力,以保证拆除作业安全进行;拆除构件越多,来浪方向和环境载荷大小对平台影响越加显著。研究结果可为导管架平台拆除作业提供参考。     

浮托安装进船过程中护舷碰撞力实测研究

浮托安装法广泛应用于大型组块海上安装。导管架平台上部组块浮托安装进船过程中,风、浪、流引起的浮托驳船横向运动造成浮托驳船与导管架桩腿的碰撞,碰撞力可能会对导管架结构造成损伤。陆丰7-2上部组块浮托安装中,为了监测碰撞力大小,设计了碰撞力海上监测系统。通过在导管架外侧四个桩腿上安装光纤光栅应变传感器对碰撞过程中导管架桩腿进行应力监测,进而计算碰撞力。对碰撞过程,载荷作用位置、方向进行简化,并对载荷大小及垂向作用位置对计算的影响进行了研究。结构分析模型简化后,测点von-Mises应力与碰撞力大小成正比,对导管架整体结构建模计算并取局部结构计算比例系数,结合应力实测数据计算出进船过程中驳船对导管架桩腿碰撞力。     

自升式钻井平台桩靴踩脚印应对措施对比研究

基于现有规范与文献研究提出的减小桩靴踩脚印附加响应的相关措施,首先基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)定量分析了传统纺锤形桩靴与新型桩靴在不同工况条件下插桩时桩靴地基土体相互作用机制,明确了最不利桩靴踩脚印工况时的插桩偏心距与桩坑深度。基于该最不利工况条件,对比分析了新型六孔莲蓬形桩靴、试踩法与地基钻孔法3种桩靴踩脚印应对措施的适用性与有效性。结果表明,相较于传统纺锤形桩靴,采用六孔莲蓬形桩靴使桩靴倾斜角与桩腿偏移距分别降低了33.13%和48.26%,说明结构在位稳定性更高。此外,通过对比分析得出,采用最佳设置方式进行试踩与钻孔处理后再进行桩靴贯入时,桩靴受到的水平滑动力峰值与桩腿RP₁处弯矩峰值相较于未处理时分别降低了29.47%、29.17%、34.7%、37.7%。可见,3种应对措施均能有效降低桩靴踩脚印后产生的不利影响,提高桩靴结构的在位稳定性。以最终减小不利附加响应程度作为评定标准：地基钻孔法>新型六孔莲蓬形桩靴>试踩法,由于地基钻孔法与试踩法均需增设额外机械设备及施工工序,大幅提高了工程造价,因此,在实际工程中,需要根据实际情况恰当选择应对措施。研究成果可为实际工程中应对桩靴踩脚印工况响应提供一定参考与借鉴。     

内孤立波作用下Spar平台动力响应特性

以三类内孤立波理论(Kd V、e Kd V和MCC)的适用性条件为依据,采用Morison和傅汝德-克雷洛夫公式分别计算Spar平台内孤立波水平力和垂向力,结合时域有限位移运动方程,建立了有限深两层流体中内孤立波与带分段式系泊索Spar平台相互作用的理论模型。以东沙群岛某海域实测内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下某经典式Spar平台的内孤立波动态载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对Spar平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度水平漂移运动,而且还会使其系泊张力显著增大。因此,在Spar平台等深海平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

轴向受压矩形开孔板极限强度近似计算

针对受均匀轴向压力的矩形开孔板剩余极限强度的问题,考虑矩形板中间开圆孔和腰圆孔两种典型形状,四种边界条件下,以板的柔度系数、开孔率为主要影响参数通过大量非线性有限元数值计算分析,采用一种新的拟合方式提出了矩形开孔板轴向受压剩余极限强度的简化计算公式,新经验公式能够很好地反映开孔所导致板极限强度的衰减趋势。将所提出的经验公式计算结果分别与相应的试验结果、非线性有限元计算结果及其他经验公式计算结果进行对比分析。结果表明所提出的经验公式相比已有的经验公式计算更为准确,适用范围更广,可以用来预报不同边界条件下轴向均匀受压开孔矩形板的极限强度。     

淹没海滩护底混凝土联锁排稳定厚度公式研究

在介绍荷兰公式、水利部规范公式及半理论半经验公式的基础上,研究各公式的工作状态和失稳机理,同时对半理论半经验公式进行了合理简化。研究结果表明,三个公式的工作状态并不相同,对于常年淹没且处于破波水深范围内的海滩护底一类工程,半理论半经验公式较为合适;对于非淹没的斜坡护坡,荷兰或水利部公式较为适用。研究同时表明,当模数k位于0.88至1.00范围时,半理论半经验公式中理论系数β可以取最大值0.298,由此得到波浪作用下海滩护底工程混凝土联锁排稳定厚度的简化计算公式,与原公式相比,计算结果相近而且偏于安全。     

海底埋设高温管道隆起屈曲数值模拟研究

高温是引发海底管道整体屈曲失效的主要因素,而海床上存在的局部隆起使得高温埋设管道更加容易发生隆起屈曲。这里重点研究海底埋设高温管道发生隆起屈曲的临界温度载荷及其影响因素,提出了一种简化的数值模拟分析模型,同已有的相关实验结果比较表明,本方法可以较好地近似计算高温管道的隆起屈曲。基于本方法开展的参数分析,得到了管道覆土高度、混凝土配重层厚度、海床不平整对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势。     

浮力装置触发深海管道水平向整体屈曲效果的数值模拟研究

海洋油气资源的运输主要通过海底管道进行,管道在工作时受到较大的温度荷载,会产生整体屈曲变形。深海管道设计中常采用人为装置触发一定程度的水平向整体屈曲变形,来释放轴向的温度应力,浮力装置是常用的触发方式之一。本文通过数值模拟研究,分析了不同浮力大小和不同浮力施加范围下,管道水平向整体屈曲的临界屈曲力,得出临界屈曲力随浮力大小和施加范围变化的情况;并研究了不同土体阻力下,浮力装置触发整体屈曲的效果。研究表明,水平向土体阻力较大时,浮力装置触发水平向整体屈曲的效果较好。浮力装置的触发效果对轴向土体阻力不敏感。     

基于MADM的自升式钻井平台主尺度方案优化

针对不同评价指标对决策结果影响权重多样性的问题,建立多属性决策模型对平台主尺度方案进行优化决策。基于自升式平台主体设计参数数据库,采用BP人工神经网络建立平台主尺寸关键参数多变量预测模型,在此基础上开展主尺度方案正交优化设计。将桩腿屈服强度、屈曲稳性、整体抗倾稳性作为平台安全适用性评估准则,进一步运用多属性决策理论,建立基于信息熵的自升式平台主尺度方案决策方法。研究结果表明,BP人工神经网络预测模型具有较高的预测精度;多属性决策模型可以将平台结构安全适用性定量评估引入方案决策过程中,而且综合考虑了不同评价指标对平台主尺度设计方案的影响程度及敏感性;最终,对SD-400自升式平台主尺度进行优化决策,验证了该方法的工程适用性。     

自升式平台穿刺计算方法探讨

自升式平台的穿刺会对平台结构或桩腿造成不同程度的损伤,因此非常有必要对作业井位进行插桩穿刺安全性评估。在总结国内外穿刺计算方法的基础上,首先分析了接近穿刺状态下上覆砂层的抗剪切能力,对桩基承载力公式进行了修正;然后对穿刺安全系数进行了探讨,推荐了平台作业期处于台风季时采用的安全系数;最后提出了更完善的穿刺分析和作业流程,并以HYSY9××平台在某井位插桩计算为例验证了所提出的方法。     

均质地基上浅埋矩形基础极限承载力上限分析

基于土体塑性极限分析理论,推导一般黏性土地基上矩形基础承载力的上限解。为了证实上限解的合理性与适用性,采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行数值分析,并分别与Vesic理论解和Salgado et al理论解进行了对比。结果表明,推导的三维矩形基础上限解能较好地计算黏性土地基的极限承载力。     

大直径单桩风机基础冰荷载模型试验研究

针对渤海某海域以单桩结构为支撑的海上风电系统,对大直径直立桩风机基础进行了一系列静冰载荷模型试验研究。首先,针对目标海域海冰调研结果确定多个冰速工况,对3 MW及4 MW装机功率对应的两种不同直径的单桩基础开展静冰载荷模型试验;随后在试验现象及试验结果的分析中重点关注了冰排在大直径结构前的破坏模式及破坏特点;最终,通过对比模型试验冰力极值试验结果与多规范冰载荷计算结果,确定大直径直立桩静冰载荷计算规范的合理选择,并根据试验结果对直立桩静冰载荷计算方法进行了经验参数修正。得出的相关结论可为渤海海域大直径单桩式风机基础冰载荷的工程估算提供参考。     

张力腿平台水动力参数计算

张力腿平台作为一种深水平台 ,其半顺应半固定的运动特征 ,成为在复杂的深海海洋环境中进行海洋石油勘探、开采一种重要结构型式。在张力腿平台波浪载荷的计算中根据产生波动流场的因素不同将波浪载荷分为绕射效应和辐射效应。本文对辐射效应深入研究并以附加质量、附加阻尼等水动力参数的形式计算了辐射效应对张力腿平台的载荷影响。在计算水动力参数时将平台简化为浮式直立柱群 ,采用势流理论 ,引进改进平面波法计入柱体间水动力相互作用得到辐射波速度势的半解析解 ,引入大间距假设、通过非平面波修正 ,精确地求解了柱群的辐射波的载荷作用