水动力作用下管道稳定性的试验研究

利用振荡流水槽在以下两种约束条件下，研究波浪作用下直接铺设于砂质海底的管道失稳临界条件：1）管道两端自由；2）管道可水平、垂直自由运动，但流动受到限制。试验结果表明，管重无量纳数G与管道失稳的临界Fr数之间大致呈线性关系，而当G超过一定数值时，管道是侧向稳定的。管道的约束条件、砂床特性和加载速度对管道稳定性均有影响。     

埕岛油田海底管线在位稳定性的计算分析

埕岛油田主要分布粉土和淤泥质软土2类典型的海床.通过建立海床与其上裸置管线相互作用的有限元计算模型,对埕岛油田2类典型海床上裸置管线的在位稳定性进行了数值计算分析,并与现行常用的DNV(挪威船级社)管道设计方法的计算结果进行了对比.分析表明,对于埕岛油田粉土海床上裸置管线的在位稳定性分析,数值计算结果与DNV简化分析方法的结果较为一致;对于埕岛油田淤泥质软土海床上裸置管线的在位稳定性分析,DNV简化分析得到的裸置管线的在位稳定性一般高于相应的数值计算结果.     

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。     

基于混沌可靠性理论的海底管道稳定性研究

海底管道运输是目前世界上最重要的运输方式之一,但是海底管道检查维护、日常管理很不方便,一旦出现事故,维修非常困难,因此对海底管道进行失稳分析是完全有必要的。随着结构可靠性理论的发展和在实际生产中运用的日益成熟,国外的海底管道规范已经开始采用可靠性设计。文中采用混沌搜索可靠性理论对海底管道静态稳定性进行了有效的分析,并结合串联系统的可靠度理论对管道进行整体可靠度分析,最后结合算例验证了此方法的实用程度。分析结果表明,混沌搜索可靠性计算方法是可行有效的。     

管道结构垂向—侧向耦合管土作用机理性试验研究

钢制悬链线式立管的触地段与海床会发生频繁的相互作用,对管道的安全性影响很大。首先探索干土环境下管土作用的机理有助于更好地理解真实海况下管道—湿土作用规律。试验测试是研究管土作用最可信最直接的手段。进行了垂向及侧向管土作用机理性试验,根据土体抗剪强度验证了试验中相互作用机理与管道尺寸的无关性。研究了不同运动速度对土体反力的影响,发现运动速度对垂向及侧向管土作用均存在一定的放大效应,而垂向低速工况下放大效应不明显;接着分别研究了垂向与侧向管土作用的规律,分析了土体反力变化的成因,最后针对管土垂向—侧向的耦合效应进行研究,发现不同的垂向深度会极大地影响侧向管土作用。为后续的管道—含水土体相互作用试验奠定基础,也可为陆上管土作用相关研究提供参考与建议。     

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%。     

册子岛—镇海海底原油管道冲刷稳定性研究

根据对册子岛-镇海段海底原油管道2006-2011年连续多年的监测,结合区域地理位置、水文泥沙、地形地貌、海洋开发活动、极端气象天气等因素,提出从海洋区域综合环境的角度研究海底管道所在海床的冲淤稳定性.管道所在区域海床总体表现为冲刷,2005年完成埋设的海管在2008年出现了多处裸露,到2010和2011年甚至有多个区段出现悬空.分析认为,舟山跨海大桥尤其是金塘大桥的建设、宁波澉浦新泓口围垦工程的实施、极端气象天气或短期灾变因子等对研究区海床的冲淤稳定产生的影响较大,也是导致近年来海管出现危险状况的主要原因.     

非线性海床土深水缓波型立管动力响应分析

缓波立管的结构形式能够有效改善立管触地区的动力响应,达到保护立管触地区的目的。基于集中质量法和考虑土体弱化的非线性海床土模型,用等效浮力的方法将缓波立管浮力段简化,并在Orca Flex中建立传统钢悬链线立管和缓波立管的集中质量模型进行分析,考虑立管结构形式、浮力段长度和浮力段起始位置的影响,得到立管静态位形、触地点张力和弯矩、立管贯入深度以及触地点海床阻力等结果进行比较。结果表明:浮力段的配置会提高立管静态弯矩分布水平,但合理的缓波立管设计能有效改善立管触地区的动力响应,抑制海底沟槽的发展,达到保护立管触地区的目的。     

波浪作用下海底管线的物理模型实验研究

本文进行了海底管线受波浪力作用的两种不同比尺的物理模型实验，得出了水平力系数Ｃｆｘ和垂直力系数Ｃｆｚ随ＫＣ数和Ｒｅｄ数的变化曲线，并对比了不同比尺物理模型实验的结果。结果对比表明，比尺对波浪力的影响是不可忽略的。     

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。     

A numerical model for ultimate soil resistance to an untrenched pipeline under ocean currents

One of the main concerns for pipeline on-bottom stability design is to properly predict ultimate soil resistance in severe ocean environments.A plane-strain finite element model is proposed to investigate the ultimate soil resistance to the partially-embedded pipeline under the action of ocean currents.Two typical end-constraints of the submarine pipelines are examined,i.e.freely-laid pipes and anti-rolling pipes.The proposed numerical model is verified with the existing mechanical-actuator experiments.The magnitude of lateral-soil-resistance coefficient for the examined anti-rolling pipes is much larger than that for the freely-laid pipes,indicating that the end-constraint condition significantly affects the lateral stability of the untrenched pipeline under ocean currents.The parametric study indicates that,the variation of lateral-soil-resistance coefficient with the dimensionless submerged weight of pipe is affected greatly by the angle of internal friction of soil,the pipe-soil friction coefficient,etc.     

Physical modeling of untrenched submarine pipeline instability

Wave-induced instability of untrenched pipeline on sandy seabed is a ‘wave–soil–pipeline’ coupling dynamic problem. To explore the mechanism of the pipeline instability, the hydrodynamic loading with U-shaped oscillatory flow tunnel is adopted, which is quite different from the previous experiment system. Based on dimensional analysis, the critical conditions for pipeline instability are investigated by altering pipeline submerged weight, diameter, soil parameters, etc. Based on the experimental results, different linear relationships between Froude number (Fr) and non-dimensional pipeline weight (G) are obtained for two constraint conditions. Moreover, the effects of loading history on the pipeline stability are also studied. Unlike previous experiments, sand scouring during the process of pipe’s losing stability is detected in the present experiments. In addition, the experiment results are compared with the previous experiments, based on Wake II model for the calculation of wave-induced forces upon pipeline. It shows that the results of two kinds of experiments are comparable, but the present experiments provide better physical insight of the wave–soil–pipeline coupling effects.     

地貌形态对海底管线稳定性影响的研究

以东方1-1平台海底管线路由区为例,多次对该路由区多波束测深、旁扫声纳、浅地层剖面、土质、海流及海底过程的原位监测调查数据和收集的波浪、海流等相关资料进行分析,得出,在水动力条件的作用下,海底会产生沉积物的侵蚀、搬运和沉积等过程,这些过程对海底地貌有重要的改造作用,会对管线稳定性具有重大影响。提出管线铺设需预先了解水下环境的动力条件的规律,识别沿拟定管线路由区可能存在的海床运动和波流冲刷的地质灾害,找到地貌形态对海底管线稳定性影响的原因。进而提出根据不同情况的解决对策,有效地减少地貌形态对海底管线稳定性影响。     

基于VOF方法的海底管道溢油扩散数值模拟研究

在海底输油管道运行过程中,管道渗漏、穿孔及破碎都会导致原油泄漏。对溢油运动的轨迹及其扩散范围作出预报可为溢油事故的处理提供及时、准确的信息,指导应急处理的正确实施。基于工程实际需求,采用有限体积法,结合k-ε紊流模型,建立了海流作用下海底输油管道溢油扩散数值模型。采用VOF方法(volume of fluid method)追踪多相流界面。首先,将数值模拟结果与Fan的实验值及Zheng和Yapa的数值结果进行了对比,验证数值模型的可靠性;其次,研究了不同原油溢出速度与环境水深对不同时刻溢油轨迹、到达海面时间、横向漂移距离与海面扩散范围的影响。研究表明:随原油溢出速度增大,溢油到达海面时间逐渐减小,溢油横向漂移距离与海面扩散范围则逐渐增大;随环境水深增大,溢油到达海面时间逐渐增大,且其变化接近线性分布。     

海底管线表面压力分布的理论分析

为了获取海底管线表面压力变化特征,基于固体边界层基本方程,利用摄动方法推导了管线表面压力分布解析式,并利用物理模型试验数据对理论公式进行了检验。经对公式系数做出适当调整,压力系数的计算公式能反映出边界层分离点前后的分布规律。     

柔性管Reel-lay铺管安装稳定性分析

钢管的S-lay、J-lay铺管方法的应用研究已经非常深入,而柔性管的Reel-lay铺管法的应用研究则相对较少。由于管道本身的材料非线性、管土接触存在非线性以及环境的不确定性等问题过于复杂,因此通过类比J-lay铺管法,采用整管的力学性能、弹性海底模型及均匀流等方式对Reel-lay铺管的水下段稳定性问题进行了简化;根据悬链线理论和小变形梁理论,给出了柔性管Reel-lay铺管法的数值计算方法,并与有限元模拟的结果进行了对比分析。结果表明:随着铺设角度增大,管道受到的弯矩也随之增大,但管道顶部的拉力却随之减小;随着铺设水深的增加,管道悬浮段质量增加,管道顶部拉力明显增加,但弯矩明显减小;浮重对管道铺设很重要,应根据实际情况,选择合适的配重以满足管道稳定和铺设的要求。     

悬跨海底管道疲劳寿命分析研究

海底管道在服役期间由于各种原因会在某些管段形成悬跨。这些悬跨在海流力作用下,将产生涡激振动。这种涡激振动最终可能导致管道疲劳失效。管道在海流力作用下发生的涡激振动是管道振动和漩涡尾流振动耦合的结果。在建立管道振动模型和Matteoluca尾流振子模型基础上,对管道涡激振动动力响应特性进行分析。依据Miner线性损伤累积理论,采用S—N曲线法分析计算管道疲劳寿命。最后,针对海洋油气开发与生产,提出延长海底管道疲劳寿命的方法和措施。     

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。