海洋柔性立管弯曲加强器参数敏感性分析

针对海洋立管弯曲加强器所受环境载荷与功能载荷的特点,基于有限元法对某海洋柔性立管弯曲加强器结构进行数值分析。通过有限元分析软件建立了弯曲加强器与柔性立管组合等效模型,重点讨论了弯曲加强器的设计参数对其自身防弯性能的影响,根据弯曲加强器的曲率及柔性立管的应力分布,对弯曲加强器结构进行优化设计,得到结论可供设计参考。     

层间摩擦系数对非黏结柔性管抗拉铠装层轴压屈曲失效模式的影响研究

在柔性管运输、铺设安装和服役过程中,由于其抗拉铠装层钢带为柔性细长螺旋结构,当外部载荷超过临界值时,抗拉铠装层钢带容易发生屈曲失效。考虑非线性材料、几何大变形、层间接触和摩擦等非线性效应的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了63.5 mm典型非黏结柔性管8层完整结构模型,研究了在抗拉铠装层不同层间摩擦系数的情况下,非黏结柔性管在轴向压缩载荷作用下的力学性能和屈曲失效模式。研究结果表明,层间摩擦系数对非黏结柔性管的抗压刚度和抗拉铠装层屈曲失效模式有较大影响,层间摩擦系数以0.1和0.2为分界点,抗压刚度和屈曲失效模式均呈现出“三段式”变化规律。研究成果可为海洋非黏结柔性管的结构设计和屈曲失效评估提供技术参考。     

陡波型柔性立管浮力块参数优化及应用

浮力块分布和外径等参数直接影响柔性立管在环境载荷作用下的动力响应,对某深水柔性立管进行陡波型布置,开展时域内的整体动态有限元分析,得到浮力块分布和外径对柔性立管动力响应的影响规律,表明浮力块参数是陡波型柔性立管整体设计的一个重要因素。立管动力响应是弯曲加强器的设计载荷,根据上述规律,构造具有不同浮力块参数的柔性立管模型,进行多工况动态分析,通过对比弯曲加强器设计载荷对(T,θ)的散点图,得到弯曲加强器设计载荷优化方法及最优设计载荷。     

深水无粘结柔性管抗拉伸层屈曲问题研究进展

随着我国海洋石油工业不断向深水发展,深水柔性管即将获得广泛应用。深水柔性管结构形式复杂,其抗拉层螺旋钢缆在铺管安装和弯曲过程中可能受到轴向压载荷,产生鸟笼现象和侧向屈曲失效,是当前柔性管开发中的研究热点。介绍了国外在柔性管抗拉层钢缆受压载荷失稳的数值模拟和试验研究现状,为我国开展柔性管开发提供参考。     

组合载荷作用下深海非粘结柔性管力学性能对比分析

建立深海非粘结柔性管新型力学数值分析模型,分析其在复合载荷工况下的力学性能。深海非粘结柔性立管是深水资源开发的关键设备,安装成本低,适用于恶劣深海环境。然而,由于非粘结柔性管本身的结构型式复杂以及层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使其局部力学性能分析面临众多挑战。研究针对非粘结柔性立管特殊的结构型式,建立一个高效的数值分析模型,对其刚度进行数值求解并与实验结果进行对比,探讨了内压和拉伸、扭转、弯曲的组合载荷工况和拉扭组合载荷工况对非粘结柔性立管刚度的影响。研究表明,本文所建立的简化模型计算结果与实验结果吻合较好。此外,柔性立管所受到的内压可以在一定程度上增加非粘结柔性立管的刚度;拉扭组合载荷工况使非粘结柔性立管的拉伸刚度降低明显,而使其扭转刚度少量增加,总体上较单一载荷工况更加危险。     

基于有限元方法的柔性立管防弯器疲劳寿命分析

防弯器是柔性管系统中的一个关键附件,其与柔性立管相互作用带来的非线性问题使得预测其疲劳寿命十分困难。以南海某油田柔性立管防弯器为例,采用ABAQUS建立了柔性立管与防弯器的“管中管”分析模型,模型中考虑了两者之间的间隙和滑动摩擦,以及材料非线性和接触非线性等因素。在加载方式上利用“位移”载荷取代传统的“力—角度”载荷,更符合工程实际。利用防弯器材料的ε-N疲劳试验曲线,结合防弯器的应力分析结果,得到危险截面的疲劳寿命。考虑材料非线性的管中管模型和疲劳寿命的计算方法,可为今后运动监测数据的利用和防弯器的优化设计提供借鉴。     

非粘结柔性立管螺旋键缠绕角度敏感性分析

非粘结柔性立管结构形式复杂,层与层之间涉及摩擦、接触等非线性特性,使其数值模拟方面很难同时保证效率与精度.针对柔性立管特殊的结构形式,本文建立不同角度螺旋键的非粘结柔性立管高效分析简化模型,通过Ansys workbench软件分析非粘结柔性立管在内压和拉伸、扭转、弯曲的组合荷载工况下螺旋键缠绕角度对其刚度的影响.结果...     

非黏结柔性管道抗拉铠装层腐蚀机理与安全评价研究进展

非黏结柔性管道是海洋油气开发的重要装备,在海水环境中,抗拉铠装层发生腐蚀会对安全运行产生严重威胁,因此明确抗拉铠装层腐蚀机理、对柔性管道的检测和对抗拉铠装层的腐蚀评估十分重要。抗拉铠装层腐蚀与环空的气体环境和水环境有关,采用合适的检测方法和设备检测环空,可以帮助判断其腐蚀情况,并为腐蚀疲劳寿命评估和应对策略制定提供参考。针对抗拉铠装层腐蚀机理、非黏结柔性管道检测、腐蚀疲劳寿命评估和腐蚀应对措施进行了总结,指出机理研究和检测评估方法的不足,为国内柔性管道抗拉铠装层腐蚀研究和完整性管理提供参考。     

深海悬链线立管涡激疲劳损伤研究

讨论海洋平台钢质悬链线式立管SCR(Steel Catenary Riser)的涡激疲劳损伤问题。对于悬链线立管外的流体,给出涡脱落频率和升力对立管作用的计算方法。悬链线立管采用索结构模型,进行动力学分析并利用模态叠加法对其进行动力响应分析。根据Palmgren-Miner线性累积损伤准则并结合S-N曲线,分析在不同流速下立管的涡激疲劳损伤。以工程中实际使用的1 500 m Spar海洋平台悬链线立管为例,对立管的涡激疲劳损伤进行了预报。并通过立管的参数研究,分别就立管外不同来流速度、立管壁厚、内部流体密度和柔性接头刚度对其疲劳损伤的影响进行了分析,得到了一些有意义的研究结果。     

考虑涡激运动下海洋柔性立管的疲劳损伤分析

基于ABAQUS/AQUA模块,当Spar平台发生涡激运动时,对与平台相连接的柔性立管进行时域动态响应分析,得到了不同折合速度下柔性立管的应力响应曲线.对立管触地区域和悬垂段进行了细化的分析,并利用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对平台涡激运动引起的柔性立管疲劳损伤进行了计算.研究结果表明:平台涡激运动对立管触地区域和悬垂段的影响较大,这两部分最容易在长时间的工作中产生疲劳损伤.特别是平台运动到近点时,立管触地区域受到的应力急剧增加,这个区域是立管工作的危险区域,应该特别注意.该研究结论可以作为立管结构设计和海底铺设时的参考,通过增加立管触地区域的结构强度和优化铺设方式,从而来提高立管的疲劳寿命和系统的安全性.     

Non-symmetric cyclic bending of helical wires in flexible pipes

Unbonded flexible pipes have superior fatigue performance as the internal armor layers are allowed to move relative to each other, leading to reduced structural loading. The main interactions between the internal layers are the contact forces and the frictional forces. Frictional interaction leads to a complex non-linear response of unbonded flexible pipes making prediction of cyclic bending fatigue a demanding task. Nevertheless, detailed understanding of local armor wire stresses and the related fatigue phenomena is of paramount importance as unbonded flexible risers are often operated close to their mechanical limits. This paper presents a method for calculating the tensile armor wire loading and the hysteresis effect on flexible pipes when subjected to tension, and non-symmetric cyclic bending. The effect of non-symmetric cyclic bending with different tensile armor lay angles, and frictional conditions are studied. The analysis uses an efficient repeated unit cell finite element model, allowing the analysis to be performed on a desktop computer. The study shows that the tensile armor wires gradually translate towards the compression side of the pipe bending plane, when the unbonded flexible pipe is subjected to combined tension and non-symmetric cyclic bending. In the analysis, cyclic bending is applied until steady-state in the bending response is achieved over a full bending cycle. The global bending response of the flexible pipe and the tensile armor wire loading conditions for fully stabilized non-symmetric cyclic bending become symmetric around the frictionless state for the mean cyclic bending curvature. An approximate analytic model for the tensile armor in the stabilized cycle, based on symmetric bending about the geodesic curve corresponding to the mean pipe curvature, is proposed.     

黄河三角洲莱州湾西岸防潮工程海堤断面块体稳定性实验研究

以黄河三角洲莱州湾西岸防潮工程海堤断面为工程实例，结合当地的水位及波浪参数，利用物理模型试验的方法，得出了护面块体稳定的极限条件及不同堤坝型式下海堤的冲淤状况，从而验证了海堤护面块体稳定性。     

污水深海排放工程整体与断面模型试验

在断面模型试验与整体模型试验的基础上 ,确定了扭工字护面块体的稳定重量。通过断面模型与整体模型试验结果的比较 ,以及试验结果与理论计算结果的比较 ,分析了特殊地理条件对波浪传播的影响以及斜向波浪和沿堤水流对护面块的影响 ,阐述了工程试验在工程建设中的重要性。     

Design of Distorted Wave Protection Armor Units

In consideration of the global optimization for engineering projects, a group of calculation formulas have been derived by means of theoretical derivation and model tests. On this basis, a design procedure for the distorted units is proposed, by means of which the distorted units of an anology shape and an identical porosity ratio with the original units can be obtained after conducting a distorted enlargement and a normal contraction. The stability waveheight and stability factor of the distorted unit can be calculated with the enlargement factor, a, of the horizontal dimension of the distorted unit, or with the contraction scale, A , of the contracted distorted unit. As a result, the stability of the armor unit can be significantly improved without increasing the quantity of concrete. For the same wave met by the original units, the thickness of placement of the contracted distorted unit can be obviously reduced, thus, a large quantity of concrete can be saved, consequently, economic benefit can be achieved.     

波浪周期对防波堤护面块体稳定性影响的试验分析

波浪对斜坡堤护面结构的冲刷破坏作用受诸多因素的影响,如波浪要素、水深条件、坡面角度、护面块体型式等。在进行某项有关斜坡堤护面块体的课题研究中发现,当防波堤断面结构确定后,护面人工块体的稳定性主要取决于波高及波周期的变化。在进行这方面内容设计计算中,通常波高的取值都能给予足够的重视,但波周期对护面块体稳定性的影响容易被忽视。本研究通过物理模型试验,针对波浪周期对斜坡堤护面块体稳定性的影响进行了总结分析,为防波堤设计提供参考。     

波浪作用下斜坡上护面块体内部应力分布数值模拟

基于3D FEMDEM方法建立三维原型尺度数值模型,模拟波浪荷载作用下斜坡上护面块体内部的应力分布。波浪作用下结构物的水动力荷载采用微幅波理论模拟,护面块体之间的运动、碰撞接触以及块体内部的应力变化采用3D FEMDEM方法模拟。块体之间的接触力采用基于势函数的罚函数法计算,有限元的变形采用中心差分的显式方法求解。应用该数值模型与ANSYS软件程序对自重作用下混凝土扭王字块的内部应力分布特性进行了比较分析,验证了数值模型应力计算的可行性和计算精度。通过数值模拟计算给出了波浪作用下斜坡上护面块体之间的相对运动和块体内部的应力分布及应力历时曲线,探讨了块体内部应力变化特性。     

扭王字块体斜坡堤越浪量的数值研究

鉴于《港口与航道水文规范》(JTS145—2015)中缺少扭王字块体斜坡堤越浪量的计算方法,因此开展相关的试验研究对规范发展和工程设计具有重要意义。在基于FLUENT软件的数值模型中,通常采用多孔介质区中的系数C来模拟斜坡上扭王字块体的消浪作用,而确定每种工况系数C的取值是实现数值模拟斜坡堤越浪量的关键。借助物模试验率定出所有工况的系数C,通过单一变量分析,发现C值随波陡、相对水深、相对坡肩宽度及相对块体尺寸的增大而增大,随相对堤顶超高及相对胸墙高度的增大而减小,综合以上影响因素,得出不同坡度下系数C的计算关系式。研究成果不仅丰富了规范内容,还为相关的工程设计提供了参考。     

Validity and limitation of analytical models for the bending stress of a helical wire in unbonded flexible pipes

Unbonded flexible pipe is one of the important pieces of equipment in floating production systems for transport of oil and gas between floaters and subsea wells located in deep water. To assure safety over a long-term service period, analysis of fatigue behavior under alternative bending is a key requirement. An analytical model for prediction of bending behavior is essential for understanding the mechanism of the local stress distribution in the helical wires of the tension armor layers under alternative curvatures and rapid estimation of the service life of flexible pipes for designers in engineering practice. In this paper, seven analytical models available in the literature are selected and summarized. Although the experimental results reported in the literature are limited, a three-dimensional finite element model is developed for investigation of the seven models, and the validity and limitations of these models for different structural parameters of helical wire are discussed, i.e., the width-thickness ratio of the wire section and helical angle. The analytical model based on spring theory resulted in a satisfactory estimation of bending stress for most cases and is recommended as a tool for the basic design of the helical armor wire structures in flexible pipes.