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。     

埕岛油田海底管道悬空治理和检测

埕岛油田位于废弃的黄河水下三角洲前缘,海底地形变化较快,该区域的海底管道悬空现象比较严重。本研究介绍了海底管道悬空的治理措施和检测方法,提出了海底管道悬空治理效果的三种检测方案,并以埕岛油田某输油管道一端的悬空治理效果的检测为例,说明了防冲刷仿生海草防护技术对海底悬空管道有一定的治理效果。     

埕岛油田海底管道悬空特征及其影响因素

海底管道是海上油气生产的重要设施,而管道悬空是影响其安全运作的主要因素之一。根据海底管道复勘资料,利用ArcGIS对埕岛油田海底管道的在位状态以及分布情况进行分析,重点统计分析了管道悬空特征和悬空规律,并分析了海底管道悬空的原因以及影响因素。结果表明,悬空管道占总调查管道总长度的4.03%,主要分布在水深为5～15 m范围内的三角洲前缘斜坡上。近90%悬空管段的长度<60 m,其中以10～20 m最为常见。超过90%悬空管段的悬空高度<1 m,其中以0.2～0.4 m最为常见。研究区海底管道悬空的主要原因为海床冲刷,其影响因素主要包括沉积物特征、地形地貌以及海洋动力条件。     

海底管道悬空防护与治理措施浅谈

为了治理一直困扰茂名30万t单点码头的海底管道悬空问题,首先分析了海底管道埋藏状态的识别方法,对国内外海底管线各种悬空治理措施的优缺点和适宜海域进行汇总。在对茂名30万t单点码头海底管道开展了多次路由调查的基础上,针对悬空路段,分别采用人工海草、沉排、碎石回填等不同的防护措施。结果表明,人工海草确实具有明显的降低流速和促进泥沙淤积的功能,但潜水员水下作业工作量较大,不宜在水深大于40 m的海域进行,应避开拖网捕捞海域。水泥沉排在水下较稳定,可有效保护海底管线免受外来损害,但是回淤促淤缓慢。当海床承载力足够时,采用碎石回填办法进行海管维护比较有效,冲刷坑填埋充实,可广泛用于修正悬空。     

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。     

基于实测资料的杭州湾海底管道裸露悬空历年变化趋势及风险区分析

近岸海底管道受海流影响,原处于掩埋状态的管道易出现裸露及悬空情况,掌握海底管道在位状态变化趋势是对其实施安全管理的关键和基础。以东海杭州湾海域内长距离海底输油管道为例,根据 2008—2021 年连续多年采用声学探测方法获取的管道外检测资料及成果,在统计分析海底管道历年状态变化趋势的基础上,重点分析管道悬空、裸露状态的游移变化情况及悬空段的分布特征;针对管道悬空频现、悬空长度较长的风险区,分析管道悬空的主要特征及管道附近海床冲淤演变情况,为海底管道安全运行管理及悬空段防护决策提供数据支撑,为海底管道检测频率、管道状态变化分析提供案例参考。     

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。     

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。     

海底管道掏空与波浪力变化关系试验

鉴于海底油气管道在海洋能源开发中的特殊意义,前人开展了大量管道安全试验研究,特别注重不同底床、不同波浪条件、不同埋置深度等方面的组合试验,本次试验针对危害管道安全的掏空和悬跨开展了波浪水槽试验,探讨黄河三角洲为主的粉土海床上掏空与管道受力关系,弥补这方面研究的不足,结果表明,海底管道受力变化与掏空过程密切相关。连续试验过程表明,海底管道与海床土、波浪水体之间存在密切关系。海底管道在波浪作用下冲刷掏空经历了3个演变阶段:泥沙起动阶段、水流隧道发育阶段、快速掏空阶段和冲刷平衡阶段。水流隧道伴随的管涌对冲刷掏空起重要作用。伴随冲刷掏空,管道波浪力出现规律性转化,从正向作用逐渐过渡到负向作用,也可以分出4个演化阶段:冲刷初始阶段,管道波浪力以正向为主,管道表现为正向力作用下的振动;隧道发育阶段,管道受到的作用力主要是波峰上举力和波谷下拉力,表现为上下振动;管道悬空阶段,波峰负向作用力和波谷正向力交替出现,管道在波浪作用下表现为前后振动;冲刷平衡阶段,管道主要在负向作用力下振动。     

Effect of Internal Flow on Vortex-Induced Vibration of Submarine Free Spanning Pipelines

At present, most researches on the vortex-induced vibration of submarine free spanning pipelines ignore the effect of internal flowing fluid; furthermore, there are no research reports considering the coupling effect of internal and external fluid with the free span. In this paper, combining Iwan‘s wake oscillator model with the differential equation derived for the dynamic response of submarine free spanning pipelines with inclusion of internal flow, the pipe-fluid coupling equations are developed to investigate the effect of internal flow on the vortex-induced vibration of the free spans. The finite dement approximation is implemented to derive the matrix equations of equilibrium. The Newmark method combined with simple iteration is used to solve the system of equations. The results indicate that the internal fluid flow may cause the shift of resonance band to the lower frequency and a slight decrease in the peak value; the effect will be mare pronounced with the increase of the span length and can be weakened in the presence of the axial tension.     

Analysis of Safe Span Length and Fatigue Life of Submarine Pipelines

Owing to the complex environmental conditions, suspension could induce complicated forces on submarine pipelines and even cause vortex-induced vibration, resulting in fatigue damage of pipelines. Through aiming at the 28-inch submarine pipeline in the East China Sea, the pipeline was segmented according to the similarity, considering the factors of pipe assembly, typhoon, current, wave and seabed topography. The effects of span length on natural frequency in each section of submarine pipeline were analyzed by finite element model. The maximum safe span length allowed by each pipeline section was verified by fatigue cumulative damage theory, and the fatigue life of each pipeline section were predicted. The results showed that each order natural frequency of the pipeline decreased with the increase of span length. The calculated results of empirical formulas were much smaller than those of the FEM analysis. The increase of the gap between the suspended pipeline and the seabed was beneficial to enhance the fatigue life of the suspended pipeline.     

Effects of Internal Flow on Vortex-Induced Vibration and Fatigue Life of Submarine Pipelines

- With the rapid development of the offshore oil industries, submarine oil / gas pipelines have been widely used. Under the complicated submarine environmental conditions, the dynamic characteristics of pipelines show some new features due to the existence of both internal and external flows. The paper is intended to investigate the vortex-induced vibration of the suspended pipeline span exposed to submarine steady flow. Especially, the effects of the flow inside the pipeline are taken into account. Its influences on the amplitude of pipeline response, and then on the fatigue life, are given in terms of the velocity of the internal flow.     

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。     

海底水平管线回流区水流特性研究

针对管线绕流剪切层区的水流特征,利用射流分析的类似方法,通过简化控制方程,从理论上探讨了剪切层区的时均速度分布规律。物理试验中采用ADV测速仪对回流区流场进行了测量,对各流区流速和紊动强度变化趋势进行了讨论,并将试验结果与理论推导进行对比,二者基本吻合,为进一步研究海底管线防护措施提供了理论依据。     

Study on Model Tests and Hydrodynamic Force Models for Free Spanning Submarine Pipelines Subjected to Earthquakes

A test rig is built to model the dynamic response of submarine pipelines with an underwater shaking table in the State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, China. Model tests are carried out to consider the effects of exciting wave directions and types. Based on the experimental results, two hydrodynamic force models derived from Morison equation and Wake model are presented respectively. By use of hydrodynamic force models suitable for free spanning submarine pipelines under earthquakes, discretized equations of motion are obtained and finite element models are established to analyze dynamic response of free spanning submarine pipeline subjected to multi-support seismic excitations. The comparison of numerical results with experimental results shows that the improved Morison and Wake hydrodynamic force models could satisfactorily predict dynamic response on the free spanning submarine pipelines subjected to earthquakes.     

基于尾流振子模型的海底管跨动力特性研究

以海底细长柔性管跨结构为研究对象,分析了当管外流体流经管道时产生涡激振动的动力学特性及其相关影响参数。为了考察海底管跨的振动响应,将尾流振子模型与管跨的振动方程相结合,得到了流固耦合系统的振动响应分别由两个变量为管跨位移和尾流举升力的偏微分方程描述。使用van der Pol非线性振子模拟作用在管跨上的振动尾流,通过实例的计算与分析,确定几个重要参数对管跨振动响应的影响程度。     

考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析

通过对管道的涡激振动试验,提出了考虑流固耦合的非线性涡激升力表达式,并用该式进行了海底管线悬跨段非线性动力响应时程分析。对考虑流固耦合与未考虑流固耦合情况下得到的管道动力响应时程进行对比,算例表明:当管外流场流速与管道顺流向振动速度值较接近时,不考虑流固耦合时的计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果。分析认为,在管外流场流速与管道顺流向振动速度值较接近的情况下,管道的涡激振动计算宜采用非线性涡激力模型。