坠物与拖网板撞击海底管道的损伤分析

针对船舶抛锚、海洋平台坠物以及渔业拖网板对海底管线的撞击会造成损伤,本文采用非显式有限元法对其损伤程度进行了模拟。采用Drucker-Prager(DP)模型模拟海床,建立了坠物-管道-土体有限元模型,分析了坠物质量、形状、撞击速度、海床土体性质(弹性模量、内摩擦角、粘聚力)、埋深及拖网板撞击方式对海底管道塑性变形的影响。分析结果可以为管道的设计与防护工作提供科学依据,并且与现行规范进行了比较,本方法结果更加经济、合理。     

基于跨航道抛锚作业的海底管道埋深研究

抛锚作业给跨航道海底管道带来的安全风险问题越来越引起人们的关注。为了加强海底管道防冲击能力、保障管道的安全运营,针对抛锚冲击作用下的管道埋深进行研究。通过建立小尺寸抛锚冲击管道实验平台,获得了冲击荷载作用下抛锚高度、管道埋深、堆石材质等参量对管道响应的影响。并基于正交实验原理,综合分析了不同参量对管道响应的敏感性。利用有限元法对抛锚冲击管道的过程进行瞬态动力分析,进一步研究了堆石材料力学特性对管道埋深的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,堆石层的材料特性对冲击能量的耗散起着重要作用。通过将数值分析结果与实验数据作对比,并结合DNV规范中的能量计算方法,提出了抛锚冲击荷载作用下管道最小埋深的计算方法。研究成果为海底管道的安全铺设提供一定的理论指导。     

海底管道受坠物锚击损伤试验与数值模拟研究

为探索海底管道在锚击作用下的损伤规律,通过海底管道损伤试验和数值模拟,研究了坠物质量、坠落高度和坠物形状对海底管道机械损伤的影响,并结合试验结果修正了Ellinas-Wallker公式。研究结果表明:管道的凹陷损伤随坠物质量和坠落高度的增大而变大;在相同质量的立方体、球体和模型锚三种形状坠物作用下,球体坠物对管道的损伤最严重;EllinasWallker公式计算结果偏于保守,修正后计算结果与试验和数值模拟结果吻合良好。研究结果可以为海底管道的工程设计及应用提供一定的参考。     

海底悬空管道受坠物撞击凹陷损伤研究

基于非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立海底悬空管道受坠物撞击的三维模型,考虑接触、摩擦和管土耦合作用,模拟海底悬空管道受坠物撞击的动态响应过程。通过大量的数值模拟,对比分析撞击能量、撞击角度以及坠物与管道间的摩擦对海底悬空管道受撞击部位凹陷损伤的影响。结果表明:管道受撞击部位的凹陷损伤随撞击能量的增大而变大;坠物撞击角度越大,管道受撞击部位的凹陷损伤越大;坠物与管道之间的摩擦使管道受撞击部位凹陷损伤略微增大,但影响很小。     

杭州湾海底管道冲刷自埋演化过程初步研究

针对杭州湾海底管道的实际工程状况,使用声学探测技术对海底管道冲刷自埋演化过程进行了现场检测,验证了海底管道从初始敷设状态依次发展为孔道冲刷、部分掩埋、尾流冲刷、尾流冲刷平衡、再次孔道冲刷和回淤自埋状态的演化过程.采用数值模拟方法分析了海底管道自埋演化过程中的典型状态,结果表明:管道下方的渗流和天然微孔隙是孔道冲刷起动的...     

落物撞击作用下海底管道风险评估

海洋平台吊机起吊货物频繁,落物事故偶有发生,对平台附近的海底管道造成危害。在DNV推荐方法的基础上,改进了碰撞概率的计算方法。运用概率统计的方法以及失效概率理论编制Matlab程序,充分考虑各因素不确定性基础上,对落物撞击作用下海底管道进行了风险评估及敏感性分析。为减少落物对海底管线的损伤,及如何配置合理的防护措施提供了科学依据。     

基于LS-DYNA海底悬空管道受坠物碰撞动力响应分析

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,采用非线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。通过大量的数值模拟得出:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小,且随着坠落物能量的增加,其差值增大;随着坠落物速度、坠落物质量的增大,管道撞击部位凹陷变形加剧,海底管道悬空段的最大振动幅值增大;相同坠落物能量的情况下,坠落物与悬空管道的接触面积越小,悬空管道的损伤深度越大;海床土体参数(剪切弹性模量、内摩擦角、密度)的变化对悬空管道的凹陷损伤深度及悬空段的最大振动幅值的影响较小。     

Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析

海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技术是一种新型管道自埋技术,为深入了解其作用机制及其效果,本文通过分析安装有阻流板的杭州湾海底管道历年检测资料,结合管道附近海域海床、潮流动力特性,深入探讨了阻流板装置在实际工程中的运行效果,分析了其作用机制及其适用条件。研究发现安装阻流板装置的杭州湾海底管道在往复潮流作用下逐渐埋入海床,其埋入段长度由2005年的50%增加到2013年的80%以上,而且平均埋入深度超过2.6 m,自埋效果较好;而在管道路由与海流平行段或管道敷设于抗冲刷强海床上时,阻流板作用不能有效发挥,管道仍然呈现裸露状态。     

浅海海底管道探测技术探讨

近年来,随着我国海洋资源的不断开发,越来越多的海洋油气资源采用海底管道(输油、输气等)输送到陆地.这些管道长期在水深较浅的海底中,容易受到风浪、潮流或其他外力作用,一旦发生悬空或断裂,不仅会造成大量的经济损失,而且可能产生重大的海洋污染,从而带来巨大的社会不良影响.因此,对海底管道定期检测非常重要.海底管道铺设后要进行检测,探明海底管道在海底的实际状态,查明受破坏的程度和位置,以便进行维护.通过分析表明,采用测深仪、SES-96声参量阵极浅地层剖面仪及侧扫声呐进行综合探测是比较有效的方法.     

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。     

CEL法与ALE法在海底管土作用数值仿真中的应用

针对海底管道与海床相互作用有限元仿真中普通拉格朗日单元因大变形而畸变的问题,需要选用更合适的仿真方法。本文首先分别采用针对网格大变形问题发展出来的任意拉格朗日欧拉(ALE)法以及欧拉-拉格朗日耦合(CEL)法建立有限元模型,借助模型试验数据验证数值仿真方法的合理性,并通过网格无关性分析,确定了ALE法与CEL法适合的单元尺寸。然后分别利用拉格朗日法、ALE法以及CEL法计算了海底管道垂向与侧向土体反力,通过对比分析得出各种方法在研究海底管土作用时的优、缺点。最后进行了管土作用试验,发现CEL法能够较好地反映管土作用中的速度放大效应。     

海底管道收弃管作业分析

为保证海洋管道在收弃管作业过程中不发生屈服,利用样条函数配点法分析了管道为形,利用线性积分法分析了缆索的收放和受力,以图表的形式给出了管道和缆索的受力和变形、铺管船的运动以及Ａ／Ｒ绞车的拉力之间的关系。     

海底管道磁法探测技术研究

磁法探测是海底管道检测的重要手段,为了根据磁测数据准确地判断管道的位置,从海底管道的磁场模型出发,研究了海底管道的磁异常特征,并提出了一种根据磁测数据准确识别管道的方法:对于对称状的磁异常曲线,其极值即为管道的位置;对于非对称状的磁异常曲线,对其求一阶梯度,位于极大值和极小值之间的梯度极值点即为管道的位置。海底管道实际磁法测量应用实践表明,所提方法是有效可行的。     

海底管道拖管法分析和研究

海底管道铺设是海洋油气工程建设的一项重要内容.海底管道铺设的方法有铺管船法和拖管法.铺管船法受铺管船舶资源的限制,而拖管法铺管不依赖铺管船,在一定的条件下,可以节约费用,因此研究拖管法铺管就非常有意义.文中首先介绍各种管道铺设施工方法,并对各种方法的优缺点进行比较.然后分别分析研究了浮拖法、底拖法和离底拖法三种拖管方法的施工工艺及管道应力变形,并结合实例对三种拖管方法的拖管过程进行了分析.     

轴线倾斜海底管道冲刷速率试验研究

通过物理模型试验研究水流作用下轴线倾斜海底管道的三维局部冲刷问题。利用超声波探头监测管道下部冲刷沿管轴线方向的扩展过程,分析海底管道三维局部冲刷的动态发展机理。由模型沙的冲蚀试验,建立沙床面剪切应力与泥沙表观侵蚀速率之间的关系式,并引入经验公式对沙床面剪切应力放大系数、泥沙表观侵蚀速率以及远场床面剪切应力之间的关系进行表达。由倾斜管道模型试验,在分析冲刷扩展位置随时间变化数据的基础上,结合上述经验公式以及沙床面剪切应力放大系数与管道埋深的关系,建立轴线倾斜海底管道冲刷扩展速率的预测公式。     

基于遗传算法的BP神经网络对海底管道受撞击损伤预测

人类频繁的海洋活动中难免发生重物落水事故,对海底管道造成撞击损伤,引起环境污染及经济损失。为保证管道在运行期间的安全性,有必要准确快速的对管道损伤进行预测以便为实际工程提供参考。BP神经网络常作为损伤预测的一种数学模型,但本身易陷入局部极小且预测精度较低。针对上述问题,本文提出了基于遗传算法的BP神经网络(GA-BP神经网络)损伤预测模型。利用有限元计算数据构成样本空间,对管道损伤进行预测,并将结果与BP神经网络、有限元计算的结果进行对比。分析表明:与BP神经网络相比,GA-BP神经网络的预测结果与有限元计算的结果较为接近,预测精度较高,其平均误差为1.27%,满足工程精度要求的同时又节省了计算时间。     

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。     

含有腐蚀缺陷海底管道极限载荷分析

利用有限元弹塑性分析方法,对含有腐蚀缺陷的海底管道进行材料非线性和几何非线性分析,探讨了确定管道极限载荷的准则。在此基础上,给出含有腐蚀缺陷的海底管道的极限载荷,研究腐蚀长度、深度和宽度对海底管道极限载荷的影响,提出了含有腐蚀缺陷的受内压的海底管道的极限载荷计算公式,并与试验结果进行了比较,证明该方法是有效的。     

海底管道的初始屈服研究

本文由ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则，建立了承受弯曲与外压联合作用下的海底输油（气）管道的初始屈服公式。公式中考虑了实际管道的初始椭圆率。对深水域管道的初始屈服强度作了数值预测。给出了各种参数对屈服强度的影响曲线     

应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟

采用SIMPLEC算法的有限体积法,求解非定常流动的N-S方程,采用k-ω紊流模型,通过模拟均匀无粘性推移质的冲刷和淤积,得到海底管道由搁置在海床上的状态变为悬跨状态这一过程的管道周围局部海床冲刷情况,建立了海底管道局部冲刷的二维数值模型。海底管道从搁置在底床上到冲刷悬空的过程中,管道周围的空间产生了拓扑变化,这给采用贴体网格并在计算过程中进行网格重构的传统方法带来了很大困难,而采用切割单元法,把物体轮廓从静止的背景直角坐标结构化网格中切割出去,计算过程中不需要传统意义的网格重构过程。数值模型预测的海底管道周围局部冲刷结果与Mao的物理模型实验实测结果及Liang和Cheng等的数值模拟结果符合较好,验证了模型的准确性。