海底管线冲刷悬空及其抑制技术研究综述

海底管线作为海洋工程的重要组成部分,其安全性受到广泛关注。本文简单回顾了国内外学者通过物理实验、理论分析与数值模拟等方法研究海底管线冲刷悬空及防护问题的成果,并对工程中应用较广泛的防护方法的优缺点进行了简单对比,为该领域的进一步研究提供参考。     

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。     

海底输液管道内流、轴向力和压强对允许悬空长度的影响

以海底悬跨段输液管道为研究对象,考虑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。由于内流流速项的影响,使得导出的管道振动微分方程不能用振型分解法直接求解,故本文将解表示为具有正弦和余弦的对称和反对称的各个空间振型的总和,从而求出悬跨段管道固有频率。为防止管道发生横向涡激振动,用约化速度作为控制条件,求解出管道允许悬空长度。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,随着轴向拉力的加大而增大。     

黄河水下三角洲埕岛油田海底管线悬空分析

现代黄河三角洲埕岛油田海底管线的调查发现了许多管线悬空现象。分析表明,悬空主要在3种条件下产生,其中平台周围冲刷坑导致的管线悬空是最主要的。经计算可知,所调查管线的最大允许悬空长度为18．6m,其中有3条管线悬空长度已超过此值,应及时进行治理。     

埕岛油田海底管道冲刷及工程治理

埕岛海域地处1953年至1976年黄河在此入海形成的亚三角洲上,其特殊的地理位置和动力环境决定该海域有明显的冲刷现象,工程实测和物模试验结果均表明该区海底管道有冲刷悬空等许多隐患。作者对该海域冲刷机理进行了分析,并提出了适合本区海底管道冲刷治理的具体措施。     

海底管道管跨段在内外流体作用下的竖向动力特性研究

根据在复杂的海洋环境条件下,管道的动力特性受到内外流体的综合作用影响,呈现与陆地管道不同的特点。研究了结构受到外界流体所产生的涡激作用,同时考虑管内恒定流的影响,利用有限元方法对海底管道管跨段竖向振动的微分方程进行求解。在此基础上得出了管跨段在不同外流流速情况下,内流流速与结构动力响应幅值的关系及其对管跨段振动频率的影响,并进一步探讨了管跨失稳时的极限管内流速与跨长的关系,这些结论对于海底管道设计具有一定实际指导意义。     

单自由度圆柱涡激振动特性及其影响因素分析

对二维刚性圆柱涡激振动进行了系统理论和数值模拟研究,对比了不同因素下圆柱振幅、锁定区间、升阻力系数等关键参数和特征,探究了影响圆柱涡激振动特性的因素。通过线性化分析推导出了锁定区间柱体响应的频率比、振幅与流体荷载和系统物性参数之间的定性关系。为检验理论分析结果,对相关经典实验的结果进行了整理,并用RANS模型开展了相应的数值模拟。理论分析、实验和数值模拟三者的结论相符,可以确认以下结论:当圆柱处在锁定状态时,其振幅大小由组合因子决定。组合因子越小,圆柱的振幅越大,反之则越小,但是组合因子对振幅的影响幅度有限;柱体锁定区间范围的大小由质量比决定,质量比越小,锁定范围越大,反之则越小,质量比对锁定区间范围的大小有显著影响,影响的主要范围是在约化速度较大一端。     

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

悬跨海底电缆作为细长柔性结构,在静力平衡状态下具有一定的垂度,在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同,其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计,试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据,采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明：垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内,对一定长度的悬跨海缆模型,当垂跨比较大时,随着流速的增大,模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态;当垂跨比较小时,模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时,疲劳损伤最大值达到0. 1~0.7。     

不同固有频率比条件下圆柱双自由度涡激振动特性的数值研究

采用RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,对不同顺流向与横顺流向固有频率的比值(即固有频率比,fnx/fny)条件下低质量比圆柱体的双自由度涡激振动进行了二维数值模拟。圆柱体的质量比为2.6,雷诺数范围为2 500~18 750,相应的约化速度范围为2~15,包括了经典试验中出现的整个锁定范围。通过研究发现,固有频率比是影响振动特性的重要参数,随着固有频率比的增加,响应幅值逐渐降低且向更高的约化速度偏移;在低约化速度范围内,固有频率比对顺流向和横流向振动之间的相位差以及升力频率有较大影响,从而得到各种不同偏向的8字形轨迹;最后对不同固有频率比条件下的尾涡模式进行了讨论,给出了对应不同约化速度时的尾涡模式。     

分离盘控制圆柱涡激振动的数值模拟研究

圆柱涡激振动问题一直以来备受关注,分离盘作为涡激振动抑制装置得到广泛研究。分离盘长度L与圆柱直径D之比L/D是影响抑制效果的主要因素。运用有限体积法结合RANS方程与一定的湍流模式离散和求解流场,通过编写自定义程序,使用动网格模拟结构物的运动带来的流域边界的变化,针对弹性支撑的圆柱及附加长度为0.5 D的分离盘模型,在约化速度Ur为2.5~13的情况下,对涡激振动及其抑制进行研究。结果表明:分离盘可以抑制甚至消除圆柱涡激振动,99%以上的振幅被抑制;锁定区始点被推后,锁定区变窄;附加分离盘的圆柱阻力和升力被抑制;其斯特鲁哈数(St)稍高于单圆柱St但差别不大。     

文登南部近岸海域悬沙输运特征

依据2015年5月悬浮泥沙实测资料,计算各站不同层位悬沙浓度,分析研究区海域的悬沙时空分布特征,利用小波变换分析悬沙浓度变化周期,结合余流场探讨了研究区的悬沙整体输运特征。结果表明,悬沙浓度由表层到底层依次增大;悬沙浓度变化的周期约为6 h,与正规半日潮流特征吻合较好;在长会口一带、张家埠新港防波堤及好当家渔港防波堤附近区域,悬沙净输运方向与落潮流方向一致;好当家渔港内部悬沙净输运方向与涨潮流方向一致;五垒岛湾与靖海湾呈顺时针环流输运,湾内部悬沙净输运方向与涨潮流方向一致,指向湾内。     

小清河河口海域冬季悬浮体特征

利用2007年1月对小清河口附近海区悬浮体和沉积物调查的数据,分析了小清河口海域冬季悬浮体的空间分布和粒度特征,探讨了悬浮体与海底表层沉积物的关系,并对其来源进行了初步分析。结果表明,悬浮体浓度和粒度特征空间分布不均,但有一定的规律性,并与海底表层沉积物之间存在着密切的联系;结合已有研究资料综合分析认为,河道内悬浮体主要来源于河流输移、河道两侧潮滩物质输送,而河口附近海域悬浮体主要源于近岸浅滩和海底表层沉积物的再悬浮和搬运。     

三门湾悬移质输运特征

三门湾为一典型半封闭强潮海湾,平均潮差4.25m,湾内外水沙交换剧烈。根据2003年在三门湾水文泥沙测验、分析结果,湾口附近N1、N2、N3站所构成的断面上:(1)从大潮到小潮,流速递减;从N1站向N3站流速增加;春季,大多数情况下涨潮流速大于落潮流速。而秋季,大多数情况下涨潮流速小于落潮流速。(2)春、秋季,大小潮期间N1、N2、N3三个站上平均悬移质浓度都是涨潮大于落潮;中潮期间这三个站上平均悬移质浓度都是涨潮小于落潮。     

黄河口附近海域表层悬浮体分布及粒度特征

利用2001年7月进行的两船同步走航调查资料,结合同一时期的陆地卫星合成图像,对枯水期黄河口表层悬浮体空间分布和粒度特征进行了研究。低潮时,黄河河口表层悬浮体含量、温度、盐度在河口口门外5 km范围内变化迅速,表层悬浮体含量和温度向海方向呈指数方式迅速降低,悬浮体含量由519 mg/L下降到20~30mg/L,温度则下降4℃左右;盐度则由1升至33。表层悬浮体含量的变化与表层水体温度、盐度变化有很好的对应关系,温度、盐度变化反映了河流注入的淡水在表层与海水的混合过程。与调查时期接近的一景遥感图像(RGB321)对照,可以看出图像色调变化与测量数值的变化比较吻合。悬浮体平均粒径为6.64~5.26Φ,以粉砂为主。沿测线由河口向海方向,粒度成分和粒径的变化趋势明显,粒径逐渐变粗,黏土成分减少而砂的成分增多,这可能与絮凝作用有关。     

鸭绿江西水道口悬沙动力特征

根据鸭绿江西水道口外两个站位大小潮实测悬沙数据,结合表层沉积物特征及潮流动力分析结果,从悬沙浓度、悬沙输沙量和悬沙粒级3个方面,分析了悬浮泥沙浓度大小潮时空变化特征及其与潮汐、潮流动力因素的关系,净输沙量特征及输沙方向、悬沙各粒级百分含量与涨落潮及泥沙沉积物之间的关系等内容。计算分析表明:影响悬沙动力特征的主要因素为空间位置、动力强弱及泥沙源;1#站位细粒沉积物丰富,潮流及输沙受口门地形控制,2#站位地形平坦,沉积物颗粒粗,泥沙源来自异地;悬沙浓度受潮流、潮汐动力影响呈规律性变化,输沙量受潮流动力、泥沙来源双重影响;两个站位悬沙粒级百分含量随涨落潮的峰值变化及与流速、流向、潮位的对应关系的不同,有效的指示了沉积物空间分布特征,反映了外部环境对悬沙的作用过程。     

东海泥质和砂质沉积区悬浮物垂向分布的季节变化特征

9404,9410 ,9702及98074个航次对东海泥质和砂质沉积区总悬浮颗粒物的季节调查显示由于冷涡区海水的底层幅聚作用使得位于冷涡中心的111站悬浮物含量高且集中在底层 ;111站海水中悬浮物含量冬、春季高 ,夏、秋季低 ,而410站则是春、夏高 ,秋、冬低。东海悬浮物的垂向分布可归纳为4类 :上低下高型 ,上高中低下高型 ,上低中高下低型及均匀型     

导管架海洋平台自振特性的简化计算方法

本文提出了一个方程中只考虑剪切、弯曲、转动惯量效应，而塔架形状变化、平台面转动惯量及台面集中质量变化等其他影响因素均以修正系数方法确定，得出平台基本频率的简化算法。     

2008年洪水期长江口滨外区悬浮泥沙特征

河口悬沙属性的现场观测对于泥沙输移和沉积过程研究具有重要的意义,也是河口地貌演变的重要研究内容之一。利用2008年8月河口滨外区纵向3站位同步悬沙和ADP水流观测资料,并结合室内Malvern 2000型激光粒度仪对悬沙进行粒度测试,对研究区域泥沙组成及时空变化规律进行了分析。结果表明,悬浮体浓度在潮周期内随涨落潮变化,悬沙浓度最大一般出现在涨急时刻,纵向上向海方向悬沙浓度依次降低,垂向上表中底悬沙浓度依次增加,且大潮悬浮体浓度小于小潮;悬沙组成以黏土质粉砂为主,平均粒径为6φ,在潮周期内变化不大,物质组成比较稳定;悬沙浓度与流速呈现一定相关性,悬沙浓度与粒度、粒度与流速之间相关性不明显。     

东北太平洋中国合同区悬浮颗粒物元素地球化学

利用ICP-MS对东北太平洋中国合同区3个测站分层采集的悬浮颗粒物的元素组成进行了测试,对Na、Mg、Al、Ca、Ti、Mn、Fe、Co、Cu、Sr、Ba和Pb等12种元素的含量分布及其地球化学特征进行了研究和对比。结果表明,水体中悬浮体总量(TSM)一般低于0.3mg/dm3,12种元素含量从几百到不足0.01μg/dm3。其分布以500和5000m为界可分为3层。元素中Al和Ti可作为陆源元素指标,Sr和Ba可作为生源元素指标,Pb主要来源于人类活动。在西区,Na、Mg和Ca主要为生源元素,Mn、Fe、Co和Cu主要为陆源元素。在东区,Na、Mg和Cu为多源元素,Ca、Mn、Fe和Co以陆源为主。颗粒物物源及供应量是颗粒物和元素含量分布的控制因素。西小区海底火山活动强烈是影响两区元素组分差异的直接因素之一。     

内流对海底管线涡致振动与疲劳寿命的影响

在复杂的海洋环境条件下，管道的动力学特性受到内外部流体的作用而呈现出新的特点。本文通过对处在海底平稳流动作用下的悬跨管道的涡致振动进行分析，特别地考虑到管道内部流动的作用，给出了内流速度对管道响应幅度的影响，进而指出其对管道疲劳的意义。