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。     

海底管道整体屈曲的枕木-浮力耦合法研究

不埋海底管道在高温高压作用下,易发生水平向整体屈曲。实际工程中,常通过在管道路由上设置整体屈曲触发装置,实现对水平向整体屈曲的有效控制,其中以枕木法的成功应用最为多见。本文分析了枕木法的主要影响因素并验证了采用枕木法会出现管道屈曲段应力集中的现象,对比了枕木法、分布浮力法和枕木-浮力耦合法对管道整体屈曲变形规律的影响,采用数值模拟方法系统研究了枕木及浮力参数对管道水平向屈曲和后屈曲的影响规律。研究表明,在枕木两侧设置浮力段的人工触发装置可有效触发管道整体屈曲,同时促使管道虚拟锚固点间轴力的释放,降低了管道中屈曲段的应力,相较枕木法,枕木-浮力耦合法可将管道中的最大应力降低23%。     

双拱初始缺陷海底管线水平向整体屈曲数值模拟分析

为了研究具有双拱反对称初始缺陷海底管线的整体屈曲特性,采用模态分析法将最可能出现的缺陷形态引入数值分析模型中。针对管线在高温高压作用下发生整体屈曲的动态变形特征,运用显式动力数值模拟方法研究了管线整体屈曲过程中水平向变形与轴向变形随温度和内压的变化规律,建立了在整体屈曲过程中屈曲管段与滑动管段轴力的变化过程与初始缺陷形态的关系。将数值模拟结果同经典解析解和室内模型实验结果进行对比,验证了本方法的可靠性。工程算例的分析结果表明,管线整体屈曲的发生是一个由低阶向高阶发展的过程,具有双拱缺陷的管线首先发生二阶模态的整体屈曲,而后过渡到四阶模态;管线整体屈曲的变形包括屈曲段的水平向变形和滑动管段的轴向缩进,其中水平变形释放了管壁内的轴力,轴力的释放量随初始缺陷尖锐程度的降低而增大;轴向缩进变形由于受到地基土的摩阻力使滑动管段内的轴力发生累积,轴力的累积量随初始缺陷的尖锐程度的降低而增加。以上研究成果对指导实际工程具有现实意义。     

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。     

土体约束对海底管道整体屈曲的影响机理研究

高温高压下海底管道的整体屈曲稳定性分析是管道设计的重要组成部分,而选取多长的管道进行分析对其整体屈曲稳定性结果影响显著。依据临界管长将管道分为"长管"与"短管",基于动力显式分析方法,揭示了长管与短管在发生整体屈曲过程中,屈曲幅值与波长、管壁轴向压力、轴向应变及轴向位移的变化规律;研究了土体约束力影响管道临界长度的规律性,分析了土体约束力系数对长管与短管整体屈曲变形的影响。研究发现,土体约束力对短管的整体屈曲行为影响显著,短管的整体屈曲幅值随土体约束力系数的增大呈现先增大后减小的趋势。该项研究对区分不同长度管道的整体屈曲类型进而采取有效防控措施具有重要参考价值。     

考虑海底管线初始侧向变形的低阶模态水平向整体屈曲分析

温度应力下海底管线的整体屈曲是海底管线设计中的关键问题之一,不埋或半埋的海底管线较易发生水平向整体屈曲。海底管线会因为制造的缺陷或铺设的原因而具有初始变形,即初始侧向变形。研究了初始侧向变形对海底管线整体屈曲的影响,应用小变形理论建立了单拱侧向变形和反对称双拱侧向变形管线发生低阶模态水平向整体屈曲的理论分析方法,结合工程实例分析了初始侧向变形形态、侧向变形幅值以及地基土体强度特性对管线水平向整体屈曲的影响。结果表明,初始侧向变形的存在使管线更易发生整体屈曲;而反对称双拱侧向变形比单拱侧向变形更易引起管线整体屈曲;随初始侧向变形幅值的增加管线发生整体屈曲所需要的温差降低,且整体屈曲变形形态有所改变管土间摩擦系数的增加会提高管线发生整体屈曲的温差,从而提高管线抵抗整体屈曲变形的能力。     

深海垂向流速剖面数值模拟

运用CFD软件对深海各种不同的垂向流速剖面进行数值模拟,分析研究试验区域内水流在空间上的流速分布情况以及湍流强度的变化,并与目标流速进行了比较.结合模型试验,表明数值模拟的结果是可靠的,造流系统能够较为准确地模拟出不同垂向流速剖面的海流,满足深水试验池对深海海流的模拟要求.     

海底管线整体屈曲过程中塑性变形研究

海底管线是海洋油气工程中主要的输送手段。在工作状态下,受高温高压的影响,深海管线可能会发生水平向整体屈曲。随海洋油气作业水深的增大,施加于管线的温度和压强也逐渐增加,导致管线产生较大的屈曲位移和截面应力,使得截面产生塑性应变。本文采用数值模拟方法,对海底管线整体屈曲过程中塑性区的分布及其与整体屈曲影响因素的关联性、塑性变形对水平向变形的影响和塑性变形造成的截面椭圆度的变化规律进行分析,研究塑性变形对整体屈曲过程影响的规律。     

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。     

深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发展过程,探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明：初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小,随着入射质量浓度的增大而增大;初始羽状流入射速度和质量浓度越大,撞击海底后的水平方向流动速度越快,影响区域越广;水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长;当初始质量浓度和速度高于50 g/L和 0.5 m/s 时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状,影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。     

Numerical analysis of cross-section ovalization in the deep-sea pipeline lateral buckling process

Abstract

The deep-water pipeline is the main means of transportation in offshore oil and gas development engineering. The deep-water pipeline may incur lateral global buckling due to the high temperature and pressure that are applied on the pipeline to ensure the contents’ liquidity. With the increasing operating water depth, a higher temperature and pressure are applied to the pipeline, causing large lateral deformation and a large bending moment. Due to the inhomogeneous distribution of the bending moment on the cross-section, different points on the cross-section will deform differently. This kind of deformation causes the cross-section to turn into an oval ring. The cross-section ovalization caused by global buckling was rarely analyzed in former engineering practice since the load is relatively low. With the increase in operation water depth and operation load, the ovality caused by global buckling is noticeable. This article analyzed cross-section ovalization caused by pipeline lateral global buckling with a numerical simulation method. The pipelines with different initial cross-section shapes were simulated, and the influence of several impact factors, including load, pipeline and soil factors on the ovality of the cross-section, were analyzed. The results show that the initial cross-section shape type has little effect on the pipeline ovalization pattern. The initial ovality of the pipeline with an oval ring cross-section shape has little influence on the residual ovality. Among all the factors analyzed in this paper, the pressure difference is the primary factor that should be considered in a pipeline ovalization check.     

后挖沟深度对深海海底管道屈曲影响数值分析

鉴于海底管道的服役水深越来越深,主要采用犁式挖沟机对预铺设于海床之上的海底管道采取后挖沟的方式将海底管道埋设于海床之下,以保护其免受不必要的损伤。针对后挖沟深度H是海底挖沟机的重要设计参数,也是影响管道悬跨的重要因素的问题,对SMD(UK)犁式挖沟机展开参数优化,确保作业过程中悬跨段管道在外部静水压力作用下,海底管道不会发生屈曲破坏。采用ABAQUS软件,分别建立了作业前和作业中两种工况下的悬跨模型,分析机械手对接触部分管道的损伤,结果显示,作业中的机械手对悬跨管道的损伤更大;同时,建立了作业中不同管径下,后挖沟深度对管道损伤的安全裕量关系曲线。进一步,结合作业中不同挖沟深度下的管跨段屈曲数值模型,对处于外部静水压力作用下的悬跨管的屈曲失效展开分析,结果显示,随着后挖沟深度的加大,不同管径下的悬跨段管道局部出现塑性压溃的临界压力值不断降低;管道外径的增大,降低了同一后挖沟深度下发生屈曲失效的压力值。最后,在后挖沟深度与外部静水压力组成的区域内,建立屈曲失效临界关系曲线,并划分出工作区和压溃区,为深海管道后挖沟埋管的施工提供工程参考。     

Numerical study on lateral buckling of pipelines with imperfection and sleeper

Lateral buckling is an important issue in unburied high-temperature and high-pressure (HT/HP) subsea pipelines systems. The imperfection–sleeper method is one of the most well-known methods used to control lateral buckling of HT/HP pipelines. Pipelines–sleeper–seabed numerical models are established and verified to analyze the buckling behavior of pipelines using the imperfection–sleeper method. The influence of six main factors on lateral buckling behavior is investigated in details based on the numerical results. Equations of buckling displacement (buckling displacement is defined by the final displacement of the middle point of the pipelines), critical buckling force, and buckling stress (Mises stress) are proposed using the gene expression programming technique. These equations show good accuracy and can be used to assist in the design of sleepers and assess the compressive and stress levels of pipelines.     

深海采矿系统长距离垂直输运管道力学性能研究

深海采矿系统中的长距离垂直输运管道在工作中具有复杂的流固耦合力学特性,在生产作业中其结构安全性和可靠性面临严峻考验。建立深海采矿系统从海底到水面的完整模型,采用集中质量法对于其中的长距离垂直输运管道的环境载荷进行了研究,并将计算结果与模型试验测量值进行对比验证,重点分析管道顶部轴向张力和剪力的大小关系以及变化规律。分析结果表明:在深海采矿系统的长距离垂直输运管道中,轴向张力在结构载荷占主要成分,由波浪引起的结构轴向张力增加会达到管体自重的38%～48%。因此,选择合适的作业工况对降低结构载荷,加强结构安全性能有很大帮助。