多因素诱发海底管道轴向定向位移量计算方法

深水管道的启闭作业造成了管道内部温度与压力的往复施加,导致管道产生沿轴向的定向位移("walking"现象),成为油气输送系统安全的重大隐患,准确预测管道的轴向定向位移量是提出防控措施的关键。首先阐明当管道受到来自悬链线立管(SCR)张力、海床倾角以及内部瞬态热梯度作用时产生轴向定向位移的机理;建立单因素与多因素诱发管道轴向定向位移的数值模拟方法,揭示管道轴向定向位移量与不同诱因之间的非线性对应关系;修正单因素诱发管道轴向定向位移量的计算公式,提出了多因素耦合作用下确定管道轴向定向位移量的方法。     

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%。     

海底双层管单层连接管道结构受力分析

粘性高的海洋石油通常需要通过海底保温管道加温输送.温度变化会引起管道变形,并在管壁内产生较大的温度应力.同时,管道正常运营期间还受到管道内压、外压、管内流体粘滞力和土体摩擦力等环境荷载的作用.复杂的环境可能导致海底管道轴向应力过大发生破坏.为了提高铺管效率,提出了双层管单层连接管道这一特殊管道形式,并从理论上分析温度变化和环境荷载对该管道的影响,计算正常运行时管道不同位置处横截面内最大Von-Mises应力.最后得到了Von-Mises应力沿管道轴线分布情况,发现内管和单层连接管的应力一般比外管大,变径管和内管的焊缝处是Von-Mises应力最大的地方.     

海底泥流冲击悬跨管道拖曳力系数分析

海底滑坡是海洋油气工程最危险的地质灾害之一,直接影响海底管线运营安全。滑坡体失稳滑动过程中,由于海水掺和作用逐渐加速转变成快速滑动泥流,冲击海底悬跨管道。基于当前国际通用的计算流体动力学(CFD)方法,采用赫巴模型描述快速滑动泥流,计算分析海底滑坡冲击悬跨管道的受力特性,重点分析悬跨高度对管道法向拖曳力系数的影响。研究发现,管道法向拖曳力系数随悬跨高度的增长而增大,当达到某一悬跨高度时,管道拖曳力系数保持稳定。     

钢悬链线立管与海床土体接触问题的ANSYS有限元分析

钢悬链线立管(SCR)与海床土体的接触问题对立管的疲劳寿命影响很大.运用ANSYS有限元软件中的接触单元模拟SCR与海床接触处的相互作用,考虑海床土体的非线性,建立SCR与海床系统有限元模型,并同已有的等价梁-弹簧模型进行了比较和验证.运用该模型进行计算分析,探讨了管道重量、土体模型和摩擦系数等对管道入土深度和弯矩的影响,为进一步研究SCR与海床的相互作用提供参考.     

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。     

管卡板牙式锁紧机构轴向承载力的试验研究

板牙式锁紧机构提供全结构管卡加固管道的结构承载能力。为了解决在管卡设计中其轴向承载性能的有关结构计算问题,本文通过模型试验对4种规格的板牙式锁紧机构进行了轴向承载力测试,分析了内板牙齿挤毁管道表面并刮断累积金属屑层的锁紧机构失效模式,借鉴刨削力计算公式拟合得到了板牙式锁紧机构单齿轴向承载力与咬入深度的经验公式,并分析了齿间距、齿顶角对单齿承载力的影响。试验结果表明对于相同齿顶角的锁紧机构,齿间距越大的单齿承载力越大;对于相同齿间距的锁紧机构,90°齿顶角的单齿承载力比80°齿顶角的大。     

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。     

钢悬链线立管触地点区域管土相互作用的有限元分析

由于钢悬链线立管具有非线性特性,而海床土体又是软黏土,因此钢悬链线立管触地区域的管土的相互作用十分复杂。根据国外相关试验数据,采用ANSYS中的非线性弹簧单元模拟海床土体,考虑海床土体刚度退化和土吸力对管道的作用,建立海底管道拟静力有限元计算模型,计算分析管道与海床土体的相互作用,并探讨管道触地点区域关键点在顶端升沉运动下弯矩的变化规律,为进一步研究SCR与海床的动力相互作用提供参考。     

Modelling nonlinear time-dependent pipeline walking induced by SCR tension and downslope

Subsea pipelines are important facilities in offshore oil and gas industry to transport High-Pressure and High-Temperature (HPHT) hydrocarbon. They are often exerted by cyclic thermal loading through the whole operational life, which may trigger asymmetry in the effective axial force (EAF) profile, leading to a global axial movement, defined as ‘pipeline walking’. It may cause the downtime and structural risks, since this directional accumulation in axial movement results in the overstressing of end connection, loss of tension in a steel catenary riser (SCR) and other issues in the field, therefore subsea pipeline design requires a reliable estimate of the global pipeline walking rate. Current design methods adopt a constant soil friction coefficient and ignore variations in soil-pipeline interaction with time during the heating up and cooling down processes. In reality, the overlooked changing soil friction is important, and may alter the pipeline walking behaviours. To achieve an accurate assessment of pipeline walking, this paper advances the conventional design practice, by introducing a time-dependent axial soil friction function, to examine the pipeline walking behaviour over the operational thermal cycles. A suite of time-dependent matrixes is provided to reveal the development of the expansion/contraction of the pipeline, the corresponding mobilised soil frictions and the EAF profile. The significant nonlinear EAF profile in response to the time-dependent soil friction is examined, and is used to well assess the accumulation in pipeline walking rate. The proposed analytical framework is applied into case studies to demonstrate its validity and applicability in practice.     

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。     

新型铰接式重力锚的设计及其性能研究

重力锚锚固是一种常见的锚固形式。为了能够提供足够的水平承载力,传统型式的重力锚普遍比较笨重,在上拔回收时会产生较大的竖向吸附力,不利于重复利用。针对此问题,设计了一种新型铰接式重力锚,并阐述了其铺设与回收方案。其次采用有限元方法对其整体强度进行了校核,结果均符合规范。最后基于模型试验,对铰接式重力锚在黏土中的运动过程进行了研究,进而确定了其在黏土中的水平承载力和回收时的上拔力。结果表明：相较于传统重力锚,新型铰接式重力锚在确保水平承载性能的基础上,能够大幅减小上拔力,从而有效地降低铺设和回收作业的难度,且可适应多种海底土质,但该锚型仅适用于悬链线式系泊系统。相关研究结果可为实际工程中铰接式重力锚的设计提供参考。     

Subsea pipeline walking with velocity dependent seabed friction

With the increase in demand and supply gap in the oil and gas industry, new developments of oil and gasinfrastructure are moving into deeper water. This requires design and construction of long high temperature and high pressure pipelines from deep sea to shore. These pipelines are subjected to cyclic expansion during operating cycles. Accumulated axial movement due to repeated thermal cycles may lead to global displacement referred to as ‘walking’. Walking rates depend on the restraint associated with seabed friction. In conventional analyses, seabed friction is independent of the rate of thermal loading and expansion but it has been recognised that the sliding resistance between a pipe and the seabed varies with velocity, partly due to drainage effects. In this paper a numerical model is used to explore the effect of velocity-dependent seabed friction. A velocity-dependent friction model is implemented in commercial software ABAQUS and validated via single element and simple (flat seabed) pipeline cases. This model features upper and lower friction limits, with a transition that occurs as an exponential function of velocity. A parametric study is performed using differing rates of heating and cool-down in walking situations driven by seabed slope, SCR end tension and the difference between heat up and cool down rates. The walking behaviour is compared to cases with constant friction and solutions are proposed to express the velocity-dependent response in terms of an equivalent constant friction. These equivalent friction values can then be applied in existing simple solutions or more complex numerical analyses, as a short cut method to account for velocity-dependent friction.     

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。     

Dynamic Response Study of Steel Catenary Riser Based on Slender Rod Model

A numerical model of the steel catenary riser(SCR) is built based on the slender rod model. The slender rod model,which describes the behavior of the slender riser in terms of the center line position, can solve the geometrical nonlinearity effectively. In a marine environment, the SCR is under the combined internal flow and external loads,such as wave and current. A general analysis considers only the inertial force and the drag force caused by the wave and current. However, the internal flow has an effect on the SCR; it is essential to explore the dynamic response of the SCR with the internal flow. The SCR also suffers the lift force and the fluctuating drag force because of the current. Finite element method is utilized to solve the motion equations. The effects of the internal flow, wave and current on the dynamic response of the SCR are considered. The results indicate that the increase of the internal flow density leads to the decrease of the displacement of the SCR, while the internal flow velocity has little effect on the SCR. The displacement of the SCR increases with the increase of the wave height and period. And the increasing wave period results in an increase in the vibration period of the SCR. The current velocity changes the displacements of the SCR in x-and z-directions. The vibration frequency of the SCR in y-direction increases with the increase of the current velocity.     

偏心环空螺旋流的PIV测试研究

首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场,设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40％和80％的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验。得到了轴向速度影响规律：压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大;流量一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小;偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小;当其它条件相同时,轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好。证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。     

陵水17-2气田深水钢悬链立管强度敏感性分析研究

陵水17-2气田是国内首个采用钢悬链立管的深水气田。以该气田钢悬链立管(SCR)为例,结合国外经验确定了影响强度的主要因素,利用FLEXCOM软件建立了强度分析模型并进行了敏感性分析。通过对比分析,得到以下结论:管线重量公差较其他因素对立管强度有着更明显的影响,管线重量的正负公差分别对立管触地区和悬挂区强度影响较大,其中等效应力最大增加了13.5%;内部压力的变化对重质管线强度影响较轻质管线明显;柔性节点刚度对立管强度的影响主要集中在悬挂区;立管安装误差对悬挂区和触地区等效应力影响为6.5%～9.5%。为陵水17-2气田及其他类似工程提供参考和借鉴。