内输高温高压流体海底悬跨管道的非线性涡激振动响应分析

海底管道内输的高温高压流体会引起管内较大的轴力,从而诱发管道的整体屈曲.发生屈曲的管道凸出海床表面,出现部分管道悬跨的现象,进而在海流的作用下会形成涡激振动现象.本文研究因热屈曲引起初始竖向变形的海底悬跨管道在内外流耦合作用下的涡激振动响应.首先,采用Euler-Bernoulli梁模型来模拟海底管道,通过对管道单元和...     

直接电加热过程含缺陷海底管道强度评价

直接电加热技术通过在管壁两端施加交流电向管道内输送热量,保持管内流体具有较高的温度,可有效地预防管道产生的冷凝现象。为保障直接电加热过程中海底管道的安全性,采用有限元软件ABAQUS对直接电加热过程中含缺陷管道进行了应力分析与强度评价,并分析了缺陷长度、宽度、深度以及温度对管道剩余强度的影响。分析结果表明:当缺陷大小一致时,相比环向缺陷,存在轴向缺陷管道的应力水平更大;缺陷深度的增加导致管道剩余强度有明显下降,缺陷长度在20～100 mm时,缺陷长度的增加导致管道剩余强度有明显下降,缺陷宽度对管道剩余强度的影响不明显;温度每升高30℃,管道剩余强度下降9. 5%～28. 9%。所得结论可为保障海底管道在直接电加热过程中的安全运行提供理论支持。     

中国石油形成海底管道抗屈曲和抗压溃模型实验技术

设立于中国石油集团海洋工程有限公司工程技术研究院的集团公司海洋工程重点实验室,依托国家863项目"深海油气输运高强厚壁管材关键技术研究",形成深水高压环境下的海底管道的抗屈曲和抗压溃模型实验技术。这项技术用于解决深水海底管道在铺设过程中受到静水压力和弯矩联合作用下的抗屈曲和抗压溃实验检测。海洋工程重点实验室技术人员通过管道有限元模型分析,建立缺陷和弯矩等效关系,确定缺陷尺寸,设计     

海底悬空管道的动力响应分析

海底管道在多种因素作用下会出现淘空现象而产生悬空管段。该文针对埕岛油田的海底悬空管道建立了有限元模型和土壤的温克尔模型,并将两者耦合成整体结构的有限元模型,来模拟管跨振动和土壤的液化,寻找海底悬空管道振动的特点和规律,分析特定条件下管道悬空的动力学响应,对合理设计海底管道和指导现役管道的维修提供了较为科学、可靠的依据。     

管-土相互作用对海底管道横向屈曲的影响

基于ANSYS建立了平坦海床上裸铺管道的非线性有限元模型,分析了管-土相互作用参数对海底管道前屈曲及后屈曲的影响。结果表明,管道屈曲的临界温差、最大弯矩及最大轴向总应变随着横向摩擦因数的增大而增大,管道总屈曲段长度随着横向摩擦因数的增大而缩短;轴向摩擦因数对管道临界屈曲载荷、后屈曲的变形、弯矩及应变影响很小;管道屈曲的临界温差随着土体屈服位移的增大而减小。     

深水海底管道屈曲扩展非线性有限元分析

基于ABAQUS对深水海底管道屈曲扩展进行了有限元分析。有限元分析采用Riks法,考虑Ramberg-Osgood材料非线性本构关系,模拟了在初始椭圆度缺陷下的系统压溃和屈曲扩展过程。通过有限元模拟对屈曲扩展压力与径厚比D/t关系进行了深入研究,并与DNVGL-ST-F101和API-RP-1111规范公式计算值进行比较,表明模拟分析所得各个海底管道径厚比D/t的屈曲扩展压力与DNVGL-ST-F101规范值相吻合,即使对于DNVGL-ST-F101超出规范公式适用范围的小径厚比(D/t≤15)的情况同样如此,表明在小径厚比条件下DNVGL-ST-F101屈曲扩展公式仍然适用。海底管道屈曲扩展有限元模拟方法和所得的结论对深水海底管道壁厚选择和止屈设计(尤其是小径厚比D/t≤15)有指导作用。     

含初始缺陷海底管道外压非线性屈曲研究

随着海洋油气的开采逐步走向深水,外部静水压力成为深水海底管道的重要环境条件。含初始缺陷海底管道在外部压力的作用下,可能会发生局部屈曲,并沿轴向发生屈曲传播,造成重大损失。为了进一步探究含初始缺陷海底管道在实际工况下受到外压作用时的响应,运用数值模拟方法对海底管道在外压作用下的屈曲特性进行研究。考虑到海底管道材料非线性和几何非线性,通过非线性有限元方法对带初始缺陷管道的压溃力学特性进行了研究;基于Python参数化建模的方法,计算超过1 200个数值模型,对影响带初始缺陷管道屈曲的几何参数和材料参数进行敏感性分析;运用非线性最小二乘法拟合得到极限承载力简化计算公式,并与相关试验数据进行对比,误差小于7%。     

海底管道侧向屈曲概率化分析方法

介绍海底管道侧向屈曲概率化分析的理论基础和方法,编制基于蒙特卡罗分析方法的侧向屈曲模式计算程序,并结合有限元分析,实现对可接受虚拟锚固间距的筛选,形成海底管道侧向屈曲控制的基础。给出基于概率化方法的侧向屈曲分析实例,该方法已在工程实际项目中成功应用,所得结论对深水高温高压海底管道设计与建设具有指导意义。     

深水海底管道屈曲试验数据采集技术研究

为了观察深水海底管道屈曲试验过程中管道的屈曲进程和测量管道在屈曲变形过程中的应变,设计和完善了一种适用于深海海底管道屈曲试验数据采集的工艺流程和方法。数据采集工作的重点是保护应变片并使其在模拟深海环境中能够正确输出试验数据,同时可以实时监控试验压力等数据。试验结果表明：研制出的深水海底管道屈曲试验数据采集技术和方法可行、有效。     

海底管道侧向屈曲激发设计应用及验证

介绍国内首次进行海底管道侧向屈曲激发的工程设计应用和基于投产后调查的验证及再分析。进行基于蒙特卡罗分析方法的侧向屈曲模式计算,并结合有限元分析,实现对可接受虚拟锚固间距的筛选,形成海底管道侧向屈曲控制基础。根据铺设后调查,对管道铺设后不直度、沉降值等数据进行分析,发现南海海底管道由孤立波造成的海床沉积物不均匀沉积的直接证据。投产后调查验证了侧向屈曲激发装置的有效性,并根据膨胀、侧向屈曲量进行再分析,验证管-土作用参数。结论对深水高温高压海底管道设计与建设以及管-土作用参数的计算有一定的指导意义。     

动力载荷与外压联合作用下深海管道的压溃

建立具有局部椭圆度的海底管道模型进行结构安全评估,模拟管道屈曲过程并得到临界动力面载荷幅值。分析阻尼对管道屈曲的影响并选取管道阻尼比,并对考虑阻尼管道模型的外压、圆频率、椭圆度进行敏感性分析。结果表明:阻尼对动力载荷下管道压溃有较大影响。在其他条件相同的情况下,余弦载荷对结构的危害性大于正弦载荷,椭圆度管道长轴动力加载的危害性大于短轴加载。     

长输油气海底管线侧向屈曲蛇形铺设布置方法

长输油气海底管线在温度和内压的作用下,可能会发生多个侧向屈曲,因此有必要建立合理的控制方案,保证管道安全,控制项目投资。对于蛇形铺设方案而言,确定最大允许锚固点长度(VAS)和蛇形铺设间距及长度范围是优化布置的关键。根据理论结果,给出了VAS的初步估算方法。同时结合有限元直管和曲管模型分析,提出最优蛇形布置方案的确定方法。所述方法可为海底管线工程中侧向屈曲控制优化提供参考。     

超大管径海底管道长距离登陆拖拉技术研究

针对超大管径海底管道长距离登陆拖拉技术,分别从安装方法、计算分析、数值修正等方面进行了研究。对大管径海底管道长距离拖拉与常规海管拖拉进行比较,重点分析了设计及施工中的难点,并在施工方法及设计原理上提出了解决措施。对于混合拖拉法,采用有限元方法对管道拖拉过程中的局部弯曲形变及屈曲校核进行了数值模拟和分析,有效规避了拖拉过程中弯曲变形对海管局部屈曲产生的不利影响。针对超大管径管道在DNV规范中的适用性进行了研究,并对DNV所推荐校核方法进行了修正。为超大管径海底管道长距离登陆拖拉的设计及施工提供技术支持。     

外压作用下夹层管复合结构屈曲传播分析

深海巨大的静水压力容易引起管道的局部屈曲失稳。针对外压作用下的深水夹层管复合结构屈曲传播问题,采用ABAQUS非线性有限元软件建立了含初始缺陷下夹层管三维非线性准静态屈曲传播数值模型,得到屈曲传播过程中夹层管的屈曲变形形态,并在此模型基础上针对夹层管屈曲传播性能进行了广泛的参数敏感性分析。计算结果表明:初始缺陷大小主要影响夹层管屈曲失稳压力,而对屈曲传播压力无明显影响;增强夹层管层间粘接特性能够显著提高管道抗变形能力,增大屈曲传播压力;夹层管几何尺寸参数及材料力学特性对夹层管屈曲传播性能有显著影响。研究结果对于石油夹层管道的优化设计具有一定的参考意义。     

落石冲击载荷下埋地油气管道力学分析

落石冲击会对埋地油气管道造成巨大损害,严重影响管道安全运营。利用有限元软件,建立落石冲击埋地油气管道的数值计算模型,模拟了落石冲击埋地管道的过程。通过改变落石冲击速度、管道壁厚及管道埋深参数,分析了相关参数变化时管道的力学变化规律,得到以下结论:埋地管道会在落石的冲击作用下形成凹陷,管壁应力迅速增大,管壁屈曲后应变迅速增大;管道应力、应变以及凹陷顶点的速度极值点会随着落石速度的增大而增大,随着管道壁厚、管道埋深的增大而减小;管道屈曲时,其应力会发生波动,同时应变增加更明显,凹陷顶点速度会有二次回升现象。研究结果对管道的安全运营具有一定的指导意义。     

双层海底管道跨越设计的垂向屈曲研究

以惠州A海底管道为例,提出了双层海底管道垂向屈曲分析的新方法,并研究了高温双层海底管道跨越段的垂向屈曲特性。应用改进的Riks算法计算非单调载荷与位移的响应历程,得到的管道变形和应力状态可以充分描述高温载荷下双层管道跨越段的垂向屈曲过程。双层海底管道的跨越设计既需要考虑跨越构形引发的应力应变,也需要充分校核管道跨越段的垂向稳定性。     

内压与海床联合作用下海底管道撞击数值研究

为了研究海床和管道内压对坠物撞击管道的影响,采用ABAQUS有限元软件建立了坠物撞击海底管道的有限元模型,分析了撞击过程中海底管道的动态响应。采用摩尔库伦模型模拟海床的非线性特性,并引入罚函数处理坠物、管道和海床三者的接触关系。分析结果表明:海床和管道内压对坠物撞击管道起到了保护作用。黏土海床对管道撞击的保护作用比砂土海床大,砂土海床对管道撞击的保护作用比刚性海床大;随着内压的增大,管道变形最大凹陷值减小;同时考虑内压和海床作用时管道受坠物撞击后的最大凹陷值比2个因素均不考虑时小,相差最大处达到了9.6%。所得结果对海底管道抗坠物撞击设计和管道的安全服役具有指导意义。     

隆起屈曲对海底管道近岸段设计的影响

针对隆起屈曲对于海底管道近岸段设计的影响,结合规范要求和工程实际情况,分别从海床环境特点、分析方法、施工要求等方面介绍海底管道隆起屈曲设计在近岸区域的特点。介绍近岸段设计中隆起屈曲与管道坐底稳定性、冲刷、渔业保护等其他风险的相互影响。详细论述近岸段海底管道隆起屈曲评估时需要重点关注的工程影响因素及相应的工程解决措施。结合近岸段施工特点,基于管道隆起屈曲保护的要求对不同的近岸段挖沟方式进行比较,提出针对施工阶段管道隆起屈曲保护的相关建议。     

长径比对水下夹具维修海底管道的压溃影响

夹具维修是点蚀穿孔海管维修的主要方法,但夹具施加给海管的压力过大会导致海管发生压溃失效。鉴于此,利用有限元分析软件ABAQUS建立了点蚀穿孔管道的有限元模型,研究长径比B/D对夹具维修点蚀穿孔海底管道压溃性能的影响,分析了点蚀穿孔海底管道在夹具作用下的抗压溃能力,给出了B/D与夹具压溃压力pc之间的关系。研究结果表明:当长径比B/D一定时,随着海管内压的增大,海管抗夹具压溃能力越强;内压一定时,海管抗夹具压溃能力随长径比的增大而增强。研究结果对夹具维修方法的适用性评价以及夹具整体结构优化设计具有指导意义。     

海底管道腐蚀剩余强度评价方法

海底油气管道在内外环境下会不可避免地造成腐蚀,严重威胁海上生产的安全性。从海底管道腐蚀成因入手,展开对管道腐蚀剩余强度评价方法研究。验证了有限单元法判断管道剩余强度的可靠性,并找出影响管道强度的因素。通过建立海底管道内腐蚀有限元模型,分析了在无外部载荷的环境下均匀腐蚀坑长度、宽度和深度对管道强度影响的大小,以及点蚀的孔径与孔深对管道强度影响的大小。讨论了在内外压联合作用下,海洋拖曳力对腐蚀管道受力的影响以及外部集中载荷下腐蚀管道极限应力。所得结果与ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法进行比较,得出了有限元仿真海底管道腐蚀剩余强度评价方法是可靠的,腐蚀深度是影响管道强度的主要因素。