浅水经济性柔性管道加强设计

柔性海洋管道需要针对使用要求进行结构加强设计.对于浅水海域,柔性管道拉伸和外压较小,如果通过合理简化结构的加强设计,可降低大量应用于海底管道的造价.根据渤海浅水海底管道铺设荷载,设计经济型非粘结构柔性管的结构形式,建立拉伸刚度分析模型,提出抗拉加强没计方法,并对加强设计制造的柔性管道进行了实验测试,结果表明能够满足渤海海底管道使用要求,为我国浅水边际油田开发提供新的管道选择.     

玻纤增强柔性管等效简化模型研究

玻纤增强柔性管作为一种新型海底油气输送管道,具有比强度高、柔度大和抗腐蚀性强等特点,因此在深海油气开发中具有非常广阔的应用前景。玻纤增强柔性管主要由内衬层、增强层和外保护层组成,其中增强层的等效模拟是玻纤增强柔性管设计成功与否的关键。根据玻纤增强柔性管的结构特征和材料特性,选取了四种不同的等效简化模型,对比研究了玻纤增强柔性管在轴向拉压荷载、弯曲荷载以及内压荷载作用下的力学性能。将不同简化模型的计算结果与相应的试验数据进行对比,进行等效模型的优选。研究结果表明,在内压载荷和弯曲载荷作用下,基于Halpin-Tsai模型数值结果与试验结果最为接近。在轴向载荷作用下,采用分离式模型或回形模型计算精度更高,若材料达到屈服状态时,则建议采用分离式模型进行模拟。     

腐蚀管道在内压和轴向压力影响下的弯曲破坏

运行在恶劣环境中的海底管道,往往受到内压、轴力和弯矩等复杂荷载的联合作用。腐蚀会导致管壁局部变薄,降低管道极限承载力。为保证管道安全高效运行,准确预测和分析复杂荷载作用下的塑性极限承载力和变形行为就显得尤为重要。考虑大应变和大变形、应力强化和材料非线性,运用数值仿真软件建立腐蚀缺陷管道的三维实体有限元模型,在全尺寸管道破坏试验验证的基础上,对腐蚀管道在内压、轴向压力和弯矩相互作用下的失效模式和极限弯矩承载力进行了相关研究,并进行了腐蚀缺陷几何参数的敏感性分析。研究结果表明:初始内压和初始轴向压力会显著降低腐蚀管道的极限弯矩承载力,并且影响最终的失效模式;在腐蚀缺陷几何尺寸参数中,腐蚀宽度比腐蚀深度和腐蚀长度的影响更大。     

轴压作用下双金属复合管组合作用与承载力分析

为探究轴压作用下双金属复合海底管道的组合作用与承载性能,对双金属复合海底管道进行了试验研究和理论分析。开展了不锈钢衬管材料性能试验,对比了国际主流不锈钢本构关系模型和试验结果。利用ABAQUS建立了精细化的双金属复合管道轴压试验有限元模型,系统研究了关键参数如复合工艺产生的环向复合应力、钢管初始缺陷幅值等对双金属复合管在轴压作用下力学性能的影响规律。通过对比已有轴压双金属复合管道试验结果,验证有限元模型。基于验证的有限元模型,对轴压作用下双金属复合管道的组合作用以及径厚比和材料强度对承载力的影响进行了分析。结果表明双金属复合管道的轴压极限承载力主要取决于基管的截面屈服荷载,并随着管径和材料强度的提高而增大。并依据分析结果对双金属复合海底管道的设计提出建议。     

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。     

刚性连接双层海底管道高温侧向屈曲分析方法研究

以惠州25-3/1双层海底管道为例,提出高温荷载下刚性连接双层海底管道的侧向屈曲分析方法,并研究该类管道的侧向屈曲特性.将解析分析与有限元技术相结合,在提出刚性连接双层海底管道屈曲分析方法的同时,发展了Hobbs公式的应用范围,使其成为屈曲分析有限元建模指导工具.以分析不稳定平衡问题的改进Riks方法被证明为高温海底管道屈曲分析的有效算法,得到的弧长-载荷比例因子曲线能够充分地描述双层管道的屈曲失稳过程.惠州管道的分析结果表明,刚性连接双层海底管道的整体热稳定性较高,在海床上一般不容易发生侧向屈曲,但热荷载作用下内管的后屈曲将有可能引发较高的应力集中,对此需要充分校核;另外环空间隙的减小有利于提高内管的临界屈曲载荷,从而提升管道的整体性能.     

海洋玻纤增强热塑性柔性管的理论与数值分析

近年来海洋复合柔性管道逐渐在海洋工程中崭露头角。相对于钢管,复合柔性管凭借其弯曲性能好、重量轻、抗腐蚀能力强等一系列优异的性能在油气开采领域不断受到青睐。本文研究对象为一种三层粘结型玻璃纤维增强的热塑性复合柔性管,该类型管道包含外保护层(高密度聚乙烯HDPE)、中间复合材料增强层以及内衬层(高密度聚乙烯HDPE)。研究内容主要基于三维弹性理论和复合材料层合板理论,建立了玻纤增强热塑性复合柔性管的理论计算模型,推导了复合柔性管在轴对称载荷作用下的平衡微分方程,主要分析了管体在内压载荷作用下的应力与变形规律,并将理论计算结果与ABAQUS数值模拟结果进行比较分析,结论表明理论计算与数值仿真结果具有较好的一致性。最后基于该理论模型,研究了内衬层(外保护层)与增强层相对厚度对柔性管应力和变形的影响规律,结果表明管道的增强层为主要承载构件,在增强层纤维方向的应力远大于其他方向的应力,随着增强层从内向外扩展,纤维方向的应力逐渐减小,且内衬层(外保护层)厚度对管道整体的力学性能几乎没有影响。     

波浪式拖管法铺设海底管道力学性能研究

海底管道铺设是海洋油气资源开发的重要环节,传统的拖管法不能很好地适应海洋深度和复杂环境的变化。针对 Acergy公司在Girassol项目中提出的一种波浪式拖管方法,对其应用于2.0 km 长海底管道铺设进行分析。首先,结合深水海洋环境特征,采用集中质量法建立管道拖航数值模型,并介绍管道、拖缆和浮筒力学计算及水动力荷载计算方法;其次,基于非线性有限元OrcaFlex软件对拖管过程建模,以模拟实际项目拖管过程;然后,通过对比相同条件下的单波式和双波式两种拖管方式,探讨管道和拖缆的动态力学性能变化;最后,针对不同浮重比、拖航速度、拖缆长度和悬垂角、海流流速和流向角等因素展开敏感性分析。结果表明：波浪式拖管法可以有效地降低施工时对拖缆的张力需求,但也会因此增加管道局部弯矩和应力响应;相对于单波式拖管,双波式拖管在缓解由于拖航速度等变化而产生的管道局部损伤效应上更有优势,并能较好地适应不同水深环境;复杂的海流工况对拖航时管道的力学性能影响十分显著,施工前应选择合适的铺设窗口期以防止管道产生损伤。     

内压载荷下输氢复合柔性管力学性能研究

中国氢能产业正随着碳中和愿景的不断推进而快速发展,由于氢气在钢管中容易引发“氢脆”现象,使用钢管输送氢气存在较大挑战,纤维增强复合柔性管作为一种非金属管道在氢气输送领域备受关注,其结构设计及强度分析是产业化应用的瓶颈。为探讨内压工况下输氢复合柔性管的结构响应,考虑不同层材料的各向同性及各向异性,基于三维各向异性弹性力学,建立了纤维增强输氢复合管道在内压作用下的力学理论模型,并采用数学方法求解管道位移微分方程,进而获得了N层缠绕增强层输氢复合管道在内压作用下的应力应变解析解,计算结果与内压作用下13层输氢复合柔性管的数值计算结果相符。管道的环向应力最大值出现在防渗透层,输氢软管的增强层承担约70%的载荷作用,径向应力绝对值大小随距离管道截面中心点的距离增大而减小。提出的力学行为分析模型及求解方法为设计输氢复合柔性管提供了重要的理论支撑。     

埕岛油田海底管道安装应力计算方法的研究及应用

海底管道的施工质量直接关系到海底管道能否长久地安全运行。对施工期间各种环境荷载、施工荷载作用下的海底管道在力和变形进行计算,分析和监控、是确保底管道施工质量的不可缺少的重要手段。本文通过计算实例对浮拖法敷设海底管道安装计算分析的方法作了研究,并对胜利海洋石油开发公司与天津大学合作研究开发的涨底管道安装分析软件在胜利岛油田海底管道工程建设中的应用作了介绍。     

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。     

Mechanism of local scour around submarine pipelines based on numerical simulation of turbulence model

1 IntroductionSubmarine pipelines are important ocean engi-neeringequipm ents, especiallyfortheoiland gasin-dustries. M anyresearchershavebeendedicatedtotheproblem of local scour around the submarinepipelines, butmostoftheirwork arelaboratory testsand foc…     

Safety Assessment of Buried Pipeline during Pile Driving Vibration in Offshore Engineering

To assess the impact of pile driving on adjacent submarine pipelines during the reconstruction of a pier berth, the local damage model of submarine pipelines is established to explore the safety thresholds of the particle peak velocity and horizontal displacement. The results are analyzed and adjusted by the existing standards and the corresponding literatures. Then, a three-dimensional numerical model is presented to assess the feasibility of the construction of piles by the obtained safety limits, in which the nonlinear behavior of the soil and stress–seepage coupling analysis are considered. After the construction, the safety of submarine pipelines is rechecked by the measured value of the particle peak velocity and horizontal displacement. Meanwhile, the propagation law of vibration, the horizontal displacement of underground soil, and the pore pressure during pile driving are explored. The results indicate that the construction of piles of 2# mooring pier did not cause damage to adjacent submarine pipelines. However, the construction of piles of 1# mooring pier which is nearer may cause damage to submarine pipelines.     

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。     

Study on Interaction Relationship for Submarine Pipeline with Axial Corrosion Defects

Corrosion is one of the main reasons to cause the operation accident of submarine oil and gas transmission pipelines. As the major corrosion pattern in submarine pipelines, the effects of corrosion clusters consisting of the adjacent corrosion defects on failure pressure are investigated through non-linear large-deformation finite element method. Typically, the failure behavior and limit strength of submarine pipeline with axial groove-groove corrosion defect pair exposed to internal pressure are analyzed. The effects of corrosion depth and axial spacing between a pair of corrosion defects on failure pressure are concluded. An interaction relationship for corrosion defects in pipelines, as well as prediction formulations for assessing the remaining strength of corroded pipelines are proposed. The expressions based on the proposed interaction relationship give more accurate results than the methods used in the existing design guidelines.     

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.     

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。     

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明：海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。     

Study on First-Yield Collapse of Submarine Pipelines

-The first-yield collapse of submarine pipelines with an initial out-of-roundness imperfection un-der combined bending and external pressure load is formulated by means of the Von.Mises yield criterion.The formula reduces to Timoshenko and Gere's expression in the case of external pressure load alone.Theinfluence curves of various parameters on the yield strength are presented,the collapse of submarinepipelines in a deep water region is numerically predicted,and the effect of pre-yield nonlinear bending onthe yield strength is also examined.     

航道区碎石层对霍尔锚落锚条件下海底管道防护效果研究

航道中船舶抛锚作业使海底管道可能受意外撞击,造成管道局部损伤甚至失效,进而对油气生产安全和生态环境等造成重大危害。采用碎石层防护是航道区等海域海底管道最常用的防护手段。首先基于大比尺落锚模型试验,观测了霍尔锚下落贯入碎石的3个阶段及其贯入过程中管道的应力应变状态。通过建立光滑粒子流体动力学法（SPH）和有限元法（FEM）耦合的数值模型,针对实际不同吨位通航船舶常用的霍尔锚,研究了其贯入碎石层深度及埋设管道受力和凹陷变形规律。最后分析了不同锚质量、碎石层形状和厚度等因素下埋设管道的响应规律。结果表明：采用暗埋式碎石防护层有利于撞击能量吸收,能更好地防护海底管道受损;且采用3 m以上碎石防护层能有效保护海底管道抵抗各类实际常见霍尔锚的撞击损伤。