海洋平台立管系统底部局部冲刷试验研究

在海洋结构建筑物的安全性研究中,海底泥沙冲刷成为影响海洋平台立管系统疲劳损坏的一个重要因素。为了给海洋平台立管系统在海底泥沙段的设计提供参考,采用物理模型试验方法,对海洋平台立管系统在纯波浪作用和波流混合场作用下进行多组状况的试验研究。通过记录冲刷历时过程以及平衡冲刷深度,分析水深、波高、周期、恒定来流流速、立管-桩倾斜角度及泥沙中值粒径对海洋平台立管系统底部冲刷坑的影响。     

波流作用下导管架平台桩基冲刷试验研究

海洋导管架平台桩基冲刷受到环境条件(波浪和海流)、桩径大小和海床表面土体复杂特性条件影响,现场分析极其困难。现有各种桩基冲刷计算理论均建立在一定的简化假设基础上,与实际桩基冲刷状况存在一定程度上的偏差。以JZ20-2MUQ型导管架平台为原型做缩尺模型试验,与理论分析相比,能够更加真实地模拟出桩基冲刷现象以及形成的冲刷坑形态和大小。利用试验测量数据研究了各影响因子对桩基最大冲刷深度的影响,且用Origin数据分析软件对各影响因子的数据进行准确拟合处理,得出导管架平台桩基冲刷在粘土条件下最大深度非线性回归公式,该公式概念清晰,具有很好的实用性,可为基于冲刷的导管架平台桩基设计提供科学依据。     

凹端圆柱滚子轴承在牙轮钻头上的应用分析

国内现有牙轮钻头滚动轴承多采用短圆柱滚子轴承结构,滚子边缘处存在应力集中现象,使得轴承接触表面极易发生疲劳破坏,为提高牙轮钻头滚动轴承抗接触疲劳寿命,提出在牙轮钻头滚动轴承中采用凹端圆柱滚子的方案。利用有限元方法,分析普通圆柱滚子和凹端圆柱滚子在径向载荷作用下,滚子外圆柱面上的接触应力分布情况,并对凹端圆柱滚子结构参数(凹端深度及凹口直径)进行优化分析。与普通圆柱滚子相比,凹端圆柱滚子最大接触应力降低22.33%,其优化结构参数为凹端深度4.4 mm,凹口直径5 mm。结果表明,凹端圆柱滚子能有效克服普通圆柱滚子的两端应力集中现象,接触应力沿轴向分布均匀,最大接触应力明显减小,提高了滚动轴承的抗接触疲劳能力并延长其疲劳寿命。     

波流斜交时大尺度圆柱周围的波浪变形

利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角，并用有限元法求解含流的缓坡方程．得到在缓变地形和斜交定常流场共同影响下的大尺度圆柱周围的波流场的耦合解。     

附属多圆柱绕流的数值模拟

利用FLUENT软件对圆柱周围等分布置6个小直径圆柱的流动问题进行了数值模拟。通过数值模拟,着重研究了附属圆柱直径及主从圆柱之间相对距离的变化对升力系数、拖曳力系数和涡脱落频率的影响作用。     

均匀来流中承台相对埋深对复合桩 墩局部水动力及冲刷的影响

桩墩冲刷是海上建筑物安全的最大威胁之一。随着“主墩 承台 群桩”式复合桩墩的广泛运用,承台埋深对 其局部水动力及冲刷的影响尚有待研究。本文基于水动力和泥沙输运模块,构造了均匀来流中具有不同埋深承台 的复合桩墩水动力及泥沙运动的三维数值模型,并利用水槽试验进行验证。在此基础上,对均匀来流中不同承台 相对埋深下桩墩的局部冲刷进行了模拟。结果表明,复合桩墩附近在来流初始时刻的床面最大切应力及最大冲刷 深度随承台相对埋深的增大呈“马鞍型”变化趋势;当相对埋深为1.5时,冲刷深度达到极大值,相对埋深为-1.0 时达到极小值,此时的承台发挥类似护圈的缓冲效用。建议在冲刷剧烈时将复合桩墩的承台上表面埋设在原床面 以下,以减少冲刷程度和防护成本。     

海底悬跨管道地震作用下水动力模型的数值分析

提出地震作用下海底悬跨管道周围流场变化的计算方法,并基于海底悬跨管道水下振动台模型试验条件,建立有限元离散模型,开展试验工况的数值仿真计算,验证了海底悬跨管道地震作用下流体动力分析模型的可行性。并借鉴波流作用下海底管道水动力计算的Morison方程,开展了地震作用下水动力系数影响因素和规律的数值仿真研究。     

水下穿越管道附近河床演变特性试验

研究水下穿越管道附近河床演变规律对于保障输油气管道安全运行、降低管道水毁灾害风险具有重要的意义。为了明确水下穿越管道附近河床演变规律及其对水下穿越管道的影响,开展了水下穿越管道水槽模型试验,观测管道附近河床演变的物理过程,研究水动力条件对管道局部冲刷的影响,并揭示了水下穿越管道形成局部冲刷的机理。试验结果表明:①当水流为缓流时,水下穿越管道附近河床演变过程可分为:河床下切、管道暴露、微孔形成、冲坑扩展、管道悬空和冲刷平衡6个阶段;②导致水下穿越管道产生局部冲刷的原因有涡流和渗流两个方面,管道暴露前涡流使管周沙粒减少,管道暴露后涡流和渗流共同作用使管底出现微孔,从而形成局部冲刷;③流速和水深共同影响着河床各阶段冲刷历时和管底最大冲刷深度,当弗劳德数介于0.306～0.808时,弗劳德数越大,水流越急,管底最大冲刷深度越大,达到冲刷平衡历时越少,河床整体下切深度越大,河床地形平坦且管底最大冲刷深度介于管径的0.9～1.6倍,达到冲刷平衡历时介于1 650～2 620 min。结论认为,该试验研究结果为预测水下穿越管道未来埋深及其安全运营提供了重要的参考数据。     

半浸没圆柱拖曳力系数水池试验

为了对海上黏接式输油管设计进行适用性研究,得到其在不同来流速度和浸水深度的拖曳力系数,在拖曳水池中对不同浸水深度的圆柱进行水动力特性试验。使用3种不同直径的圆柱刚性体模拟输油管,以5种不同的拖曳速度对圆柱进行拖曳,针对5种不同的浸水深度,测量圆柱所受到的水动力,雷诺数Re的变化范围为4.6×104~7.0×105。试验结果表明：不同浸水深度的拖曳力系数存在较大的差异,对于同一种圆柱,在Re一定的情况下,圆柱的拖曳力系数随着水深逐渐增加。此外试验中还观察到阻力危机现象,这与流场的Re有关,并针对该现象进行分析。试验中得出的拖曳力系数结果对实际工程具有一定的指导意义。     

海底管道淘空机理数值分析

对海底管道周围流场进行数值模拟,总结在不同管道裸露阶段的泥沙冲刷模式,探讨管线冲刷淘空的机理,并分析不同冲刷深度、流速和管径大小对冲刷淘空的影响。研究发现随着冲刷深度的增大,冲刷速度变慢,而管径和流速越大,冲刷强度越大。     

大型组合弯头法兰车削加工工装设计

通过加氢反应器上大型组合弯头法兰车削加工工装的设计制造,阐述了该工装的设计制造过程及刚度校核方法.用该工装在立式车床上实现了对大型组合弯头法兰端面及环槽的切削加工,为解决在立式车床上车削大型组合弯头法兰端面进行了成功的尝试.     

不规则波作用下无顶板开孔沉箱波浪力的计算方法

通过二维不规则波波压力试验,对不规则波作用下无顶板开孔沉箱所受到的波浪力进行了系统地研究。针对开孔沉箱由于具有特殊的消浪室结构导致其所受到的总水平与总垂直波浪力存在相位差,给出了相位差的计算公式,提出了不规则波作用下开孔沉箱三个滑移稳定危险时刻的波浪力计算方法。将本文推荐方法的计算结果与试验结果比较可见,两者符合较好,推荐方法大多情况下能够给出较为安全的结果,能为实际工程提供有应用价值的结果。     

煤层气直井地层破裂压力计算模型

为了高效开发煤层气、成功实施水力压裂作业,针对射孔完井条件下,对水力压裂时煤层的破裂压力进行预测。提出将套管、水泥环的影响纳入到井筒周围应力场计算中,运用坐标转换和线性叠加原理,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层直井井周应力场解析模型。结合最大拉应力、张性破坏、剪切破坏3种破裂准则,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层气直井破裂压力预测模型,分析了射孔径向深度、割理走向倾角、地应力差对破裂压力的影响。以云南地区X井为例,模型计算结果误差在7%以内,证明了该模型的正确性。研究结果表明：套管、水泥环会引起应力集中效应,使得破裂压力降低;在最大水平主应力方向射孔时,煤层更容易本体破裂;射孔周向角在一定区间时,本体破裂和割理张性破裂同时发生;中等割理走向倾角有较低的张性破裂压力,地应力差较小时,不易发生剪切破裂。     

固井压裂用TH泵泵头体有限元分析及材质选用

针对固井压裂泵泵头体的开裂失效问题 ,运用弹性力学有限元法 ,利用Pro/ME CHANICA软件对TH泵泵头体进行了有限元分析计算 ,获得其内腔的应力大小和应力幅分布规律。计算得到TH泵泵头体在使用工况下内腔的合成应力Δσ =2 90MPa。由此确定TH泵泵头材料为 34CrMo4A。该材料经调质处理后 ,得到稳定的综合机械性能 :拉抗强度σb≥ 85 0MPa ,屈服强度σs≥ 6 5 0MPa ,延伸率δmin≥ 10 % ,断面收缩率 ψ纵 ≥ 4 5 % ,ψ横 ≥ 32 % ,常温冲击值αkv(2 0℃ )≥ 32J ,低温冲击值αkv (- 2 0℃ )≥ 2 1J ,布氏硬度 2 70～ 312HB ,满足TH泵泵头体使用要求。     

修井作业立式翻转猫道受力特性研究

为了提高修井作业的自动化程度,提出了“立式接替作业、吊卡不流转”的新型修井作业工艺。立式翻转猫道是该工艺的核心部件。分析了立式翻转猫道的结构组成,建立了简化的力学模型,求解得到液压缸驱动力变化规律,并通过SolidWorks Motion软件分析获得仿真曲线。理论解析与仿真分析结果一致,验证了理论解析的正确性。利用Adams软件对立式翻转猫道进行动力学仿真,得到了翻转运动规律。为立式翻转猫道设计和翻转运动控制提供了理论依据。     

焦炭塔结构的固有频率和振型研究

在传统的直立塔设备固有频率和振型的计算中,将塔设备简化为悬臂梁计算模型,但实际塔的薄壁圆筒结构与梁模型不符,为此对焦炭塔建立有限元分析模型进行模态分析,得到焦炭塔的固有频率和振型,计算分析表明,由于焦碳塔特殊的结构特点使得焦炭塔的振动特性与传统大型直立设备简化为悬臂梁计算模型所得振动特性相比有所不同,因此焦炭塔结构计算中在计及高阶振型与固有频率时,不宜简化为悬臂梁计算模型.     

基于均匀和局部腐蚀模型的海上风电单桩基础承载特性

针对不同腐蚀形式对海上风电大直径钢管单桩基础承载特性的影响进行研究。基于Abaqus大直径钢管单桩有限元数值模型,分析均匀腐蚀、局部腐蚀以及均匀腐蚀与局部腐蚀联合作用对大直径钢管单桩水平和竖直承载特性的影响规律。结果表明：均匀腐蚀对单桩基础桩顶挠度影响显著,当腐蚀时间达20 a时桩身最大挠度增幅为15.9%,此时在局部腐蚀作用下其增幅仅2.0%;均匀腐蚀对单桩基础竖直沉降量影响较大,当腐蚀时间达20 a时桩顶沉降量的最大增幅为21.8%,此时在局部腐蚀作用下其增幅仅4.1%;在水平载荷作用下,局部腐蚀和均匀腐蚀均会导致桩身最大应力增大,且无论在水平载荷还是在竖直载荷作用下,在局部腐蚀处均出现小范围的应力集中现象。研究成果可为海上风电大直径钢管单桩基础防腐措施提供理论支持。     

陆相泥页岩在水平地应力作用下裂缝的多样性——以济阳坳陷古近系泥页岩为例

基于水平最大主应力（S_H）、水平最小主应力（S_h）和垂向应力（S_V）数据,探讨了济阳坳陷的地应力状态。济阳坳陷中,埋深小于2 600 m的地层总体处于Ⅰ类地应力状态（S_V>S_H>S_h）,埋深大于3 200 m的地层一般处于Ⅲ类地应力状态（S_H > S_V > S_h）,在不同地区由Ⅰ类地应力状态转换为Ⅲ类地应力状态的深度不同。利用岩心资料分析了Ⅲ类地应力状态下的动力学特征,动力学作用表现为横向挤压和错动,并识别出5类典型的Ⅲ类地应力裂缝,即脆性层竖直缝、非均质层竖直主干缝+水平分支缝、雁列式方解石透镜体充填缝、挤压逆冲派生缝和复杂网状缝。由于陆相泥页岩的组成和力学性质在纵向上具有强烈的非均质性,在Ⅲ类地应力状态下更容易形成多样性裂缝。