Engineering measures for preventing upheaval buckling of buried submarine pipelines

In-service hydrocarbons must be transported at high temperature and high pressure to ease the flow and to prevent the solidification of the wax fraction.The high temperature and high pressure will induce the additional stress in the pipeline,which results in the upheaval buckling of the pipeline.If such expansion is resisted,e.g.,by the frictional effects of the foundation soil over a kilometer or of a pipeline,the compressive axial stress will be set up in the pipe-wall.When the stress exceeds the constraint of the foundation soil on the pipeline,suddenly-deforming will occur to release the internal stress,similar to the sudden deformation of the strut due to stability problems.The upheaval buckling may jeopardize the structural integrity of the pipeline.Therefore,effective engineering measures against this phenomenon play an important role in the submarine pipeline design.In terms of the pipeline installation and protection measures commonly used in Bohai Gulf,three engineering measures are investigated in great details.An analytical method is introduced and developed to consider the protection effect of the anti-upheaval buckling of the pipeline.The analysis results show that the amplitude of the initial imperfection has a great effect on the pipeline thermal upheaval buckling.Both trenching and burial and discrete dumping are effective techniques in preventing the pipeline from buckling.The initial imperfection and operation conditions of the pipelines determine the covered depth and the number of layers of the protection measures.     

A NONLINEAR FLUID–STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS OF A NEAR-BED SUBMARINE PIPELINE IN A CURRENT

A negative lift force (attraction) can be induced on a near-bed pipeline in a horizontal current due to asymmetric flow. This negative lift force has a significant influence on the behaviour of the near-bed pipeline, causing two remarkable failure patterns. One failure pattern is due to stability loss, and the pipeline fully rests on the seabed. The other is due to the excessive stress or deformation even if the pipeline is stable in a position between the original equilibrium position and the seabed. A quantitative method to assess these two failure patterns by combining boundary element and finite element methods is proposed in this paper. This is a nonlinear fluid–structure interaction problem, and an iteration procedure is used herein to solve it. Numerical examples reveal that there exists a critical current velocity, above which the pipeline fails. The relationship between the critical velocity and the distance from the pipeline to the seabed is given.     

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速（13.82 cm/s）可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。     

爆破地震荷载作用下高密度聚乙烯波纹管动力响应试验研究

为研究爆破地震荷载作用下埋地高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）波纹管的动力响应规律，通过现场预埋管道的爆破试验，结合爆破地震与动态应变等测试手段，分析了爆破地震荷载作用下埋地管道的动力响应特征，研究了管道振动速度及动态应变的分布特征，基于von Mises屈服准则分析评价了管道安全性，提出了爆破振动速度控制标准。试验研究结果表明:试验中管道与地表振速以及管道动态应变随爆心距的减少，随炸药量的增加而增大；爆破地震波振动主频高，管道振动主频高于地表；相同爆破工况条件下，管道上方地表振速普遍大于管道振速；管道截面背爆侧峰值轴向应变以拉应变为主，迎爆侧峰值环向应变以压应变为主；本试验管道安全控制振速可取20 cm/s，此时管道处于安全状态。     

X80管道单腐蚀缺陷失效研究

腐蚀是造成管道失效的重要原因之一。为了深入了解现有X80管道的单腐蚀缺陷,本文针对X80管道单腐蚀缺陷失效机理进行了研究。首先建立并验证了有限元模型,通过大量的有限元模拟计算,建立了单腐蚀X80管道失效分析数据库;其次根据计算结果对腐蚀管道的失效机理进行了研究,包括单腐蚀X80管道的破坏模式、破坏过程以及应力分析;同时对影响X80腐蚀管道失效表现的各项参数进行了分析,如深度、长度、宽度、缺陷位置及管道径厚比等;最后利用有限元计算结果,拟合了单腐蚀X80管道的失效压力预测公式,并通过对比爆破实验数据验证了回归公式的适用性。     

Equation of small transverse vibrations of an elastic pipeline filled with a transported fluid

The integro-differential equation of small transverse vibrations of a rectilinear elastic pipeline filled with a transported fluid is obtained. The pipeline vibrations are described in the linear setting in the beam approximation. The mutual dynamic influence of motions of the pipeline and the filling fluid is taken into account. A complete trigonometric series method is presented for solving problems with various boundary and initial conditions for the pipeline deflection.     

空中爆炸冲击作用下不同接头形式埋地管线动力响应的对比试验研究

为探明爆炸冲击条件下管线接头部位受力变形的特点和规律,在室内爆炸试验碉堡测试系统内分别对直管线、带直接头和弯头管线动力响应情况进行对比试验研究,测试了接头连接处迎爆面及其背面的轴向应变,并对测试结果进行了对比分析。结果表明,管径突变会产生应力集中,接头部位是管线系统的薄弱环节;接头的厚径比是影响接头部位防爆抗震性能的重要参数;接头的类型是影响管线系统防爆抗震性能的重要因素,在管线设计中要尽量减少弯头数量,设置橡胶软接头可增强管线系统防爆抗震性能。     

Numerical study on mitigating severe slugging in pipeline/riser system with wavy pipe

The gas/liquid two-phase flow in pipeline/wavy-pipe/riser systems was investigated numerically with CFD. A CFD model of the pipeline/wavy-pipe/riser system was obtained by adding a wavy pipe to the model of the pipeline/riser system verified by the experimental data previously. The effects of the geometrical parameters and location of the wavy pipe on its performance of slug mitigation and flow characteristics in pipeline/wavy-pipe/riser systems were examined through the CFD models. With the increase of the amplitude or length of the wavy pipe, the slug in the pipeline/riser system becomes shorter. The optimum location of the wavy pipe in the pipeline exists for a pipeline/riser system and a wavy pipe at given operating conditions. The CFD modelling provides a feasible and flexible way to investigate the effectiveness of the wavy pipes on mitigating severe slugging in pipeline/riser systems.     

埋地管道随机振动的摄动分析

埋地管道的材料特性和沿线的土壤性质存在差异，对这种差异性采用随机参数描述有一定的合理性，因此在管道的随机振动分析中考虑结构参数的随机性是必要的，对于管道的抗震设计具有现实意义。对于在空间相关的地震地面随机激励下的埋地管道，将结构参数看作是随机变量，采用摄动分析法，推导了随机响应的相关函数和功率谱密度函数的解析表达式，大大方便了工程应用。针对某输油管道，给出了计算结果。     

基于分段Knothe函数的采空区埋地管道动态力学特性研究

针对穿越采空区埋地管道的动态力学预测问题,本文在概率积分法基础上将煤矿开采距离定义为开采时间与开采速度的乘积,采用分段Knothe函数模型并使用叠加原理,建立了在管-土协同变形期间水平煤层及缓倾斜煤层下埋地管道的动态下沉模型;在此基础上,运用弹性地基梁模型求解管道的挠度并结合分段Knothe函数建立了管道动态力学预测模型。结果表明:通过对比理论计算数据与实测数据可知,基于分段Knothe函数的预测方法能够比较真实地反映埋地管道的动态下沉位移及不断开采对埋地管道下沉变化的客观规律,且通过管道挠度方程能准确预测管道的动态力学行为。     

爆破地震荷载作用下承插式HDPE管道动力失效机制

承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效,为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯（high-density polyethylene,HDPE）波纹管道的安全运营,控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验,得到管道的振动速度和动应变响应数据,结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道;利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性,并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响应规律与失效机制;结合现行规范,根据管道响应规律与接口允许旋转角度计算得到了承插式管道的安全振动速度。研究结果表明:有承插口管道的合振速、合位移和有效应力大于无承插口管道;在同一截面上,有承插口管道迎爆侧的合振速和有效应力更大,而最大合位移出现在截面的背爆侧;管道合位移与合振速在轴线中心处截面最大,并向两端不断减小,有承插口管道中心合位移更大;通过接口允许旋转角度得到此类工况条件下的承插式管道的安全振速为24.77 cm/s。     

管内固-液两相流动阻力特性影响因素的敏感性分析

在浆体管道的工程设计中，管道阻力损失是一项关键参数。在大量实验的基础上，本文根据取得的有关实验成果，对影响管内固-液两相流动阻力的4个最主要因素-管径D、颗粒比重S、浆体浓度Cv和倾角θ进行了深入探讨，并采用多因素分析法比较了它们对于固体物料管道水力输送阻力输送阻力损失的影响程度大小关系，从而为在工程设计降低管道输送阻力提供了主要调整手段。     

一种新的长输管道泄漏点定位方法

将压力梯度法与逆瞬态法结合,提出了适合长输管道的泄漏点定位方法. 该方法将泄漏点前后的摩阻系数以及泄漏流量系数看作优化控制变量、水击方程的数值计算结果与测量值之差的绝对值作为控制目标,利用遗传算法优选泄漏点前后的摩阻系数,与压力梯度法结合不断迭代求解泄漏点的位置. 通过输水管道的泄漏实验得到该方法漏点定位的平均误差为4%左右.      

Tension fracture behaviors of welded joints in X70 steel pipeline

The surface of welded joints in X70 steel pipeline was processed by laser shock wave, its mechanical behaviors of tension fracture were analyzed with tension test, and the fracture morphologies and the distributions of chemical element were observed with scanning electron microscope and energy dispersive spectrum, respectively. The experimental results show that the phenomenon of grain refinement occurs in the surface of welded joints in X70 steel pipeline after the laser shock processing, and compressive residual stress is formed in its surface strengthened layer. There is no yield stage but a continuous yield behavior in the welded joints in X70 steel pipeline after the laser shock processing, and its extensibility has decreased by 20 %. The welded joints in X70 steel pipeline in primitive state exhibits brittle fracture with less tearing edges, while the fracture of welded joints in X70 steel pipeline processed by laser shock is ductile fracture with a lot of tearing edges.     

管系内一维可压缩流动数值建模与特性分析

针对复杂管系内可压缩流体,基于有限体积法,采用HLLC(Harten-Lax-vanLeerContact)格式和黎曼求解器构建了有限控制体数值离散方法,引入虚拟节点用于连接有限控制体,借助虚拟节点给出控制体之间数值通量的计算格式,发展了一种管道内一维流动数值建模方法。针对含有分支管路的管系,在管道连接部位构建了分支管路拟一维流动数值计算模型。基于所发展的一维流动数值方法,建立了变径管道和含60°分支管道内流动计算模型,验证了该方法的收敛性和有效性;基于虚拟节点的数值格式处理变径管激波问题具有一定精度优势。研究了变径管和分支管模型中可压缩流体激波、稀疏波等的传播机理,分析了管径对相邻支管压力的影响,为工程管路设计提供了参考。     

埋地冲洗管线强度计算及影响因素规律分析

研究了冲洗管线在自重、内压、温差和土壤力综合作用下的强度分析方法,给出埋地冲洗管线应力计算公式。采用有限单元法对某冲洗管线重点部位进行力学特性分析,得到其真实应力分布状态,对比了理论计算结果与数值结果误差,证实轴向应力理论计算结果偏保守。对不同壁厚、不同环境温度和不同压力下的管线力学特性进行讨论,结果表明,管道的环向应力起主导作用,且埋深0m~0.75m内管线的环向应力变化明显,因此,当考虑温差及波动内压作用时,该段管线力学特性应引起足够重视;受环境温度影响,管线最大等效应力与总位移规律近似相反,即等效应力最小,总位移近似最大;考虑到等效应力随压力变化规律,不同季节宜采用不同的冲洗压力以满足安全运行要求。     

空间管路振动频率计算的精确传递矩阵法

考虑了流体定常压力和流速，建立了空间管系振动及声传播的传递矩阵法。该方法可计算空间管系的频率、模态及动力响应。用该方法对典型耐压管路频率计算与解析解对比表明该方法是正确的。     

浆体管道内静止圆柱状型料的起动

在动量定理和能量定理的基础上,建立静止圆柱状型料在浆体管道内起动的动量方程和能量方程,并由此导出静止型料在浆体管道内的起动速度计算公式．经型料管道起动实验验证,该公式较好地描述了静止型料在浆体管道中开始起动的物理条件,能有效地推断和预测静止型料在浆体管道流中的起动速度．理论计算值和实验数据指出,静止型料在浆体管道内的起动速度,不仅和管道平均流速紧密相关,而且和浆体密度、型料形状比以及型料管道直径比紧密相关．     

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本文以ANSYS软件为平台建立了近底床钢管-混凝土单层悬跨海管有限元模型,综合应用PIPE59单元、MATRIX27单元和COMBIN40单元模拟了管内流体流动引起的科氏力、离心力以及海管与底床的弹性接触,计算了不同悬跨长度下的海管位移、应力及固有频率,通过与工程常用规范对照,验证了模型的正确性。研究表明,应用ANSYS软件可模拟近底床悬跨海管在内流、外流共同作用下的位移、应力及固有频率,本文建模方法便于工程应用。     

压力管道爆裂压力模型比较研究和改进的剩余强度评价方法

在役管道剩余强度评价使用传统评价方法B31G和APIRP-579时,由于存在一些不确定因素使评价结果偏保守,但它能确保管道安全运行.同时,现在国内外研究机构又制定了一些新的管道爆裂压力预测模型.一些科研机构通过预测管道爆裂压力来对比这些评价方法.但在他们的对比中,使用B31G时并没有对安全因子修正,不能准确的预测管道的爆裂压力,所以在可靠性评价和剩余强度评价中使用B31G不能达到好的效果.本文使用安全因子对这些模型进行修正,预测管道的爆破压力极限,并与常用极限情况模型评价公式进行对比.结果表明,在极限情况时,双剪条件模型是一个较为准确的爆破压力极限预测模型,同时,它适合于结构可靠性评价.