海底输油管道的稳定性分析

从海底输油管道在铺设过程中极限工况时的受力状况着手,建立了海底管道的受力状态模型,从横向座底稳定性分析、垂向稳定性分析和在位强度分析三个方面阐述了如何对海底输油管道的稳定性进行分析,并以宁波岙山到册子岛的岑港水道段海底原油管道稳定性计算为例进行了说明.     

深水海底管道极限承载能力分析

在深水海域铺设海底管道的环境条件往往比浅水区域更加恶劣,将会在管道垂弯区产生较大的荷载组合,可能导致管道发生屈曲破坏.为确保管道的安全,将深水海底管道简化为理想弹塑性材料,对管道铺设时的受力状态进行理论分析.以最大变形能密度为屈服准则,推导出海底管道在弯矩、轴向拉力和外压共同作用下的极限承载能力公式,并应用到S型深水铺管施工受力分析中.结果表明,水深越深则管道上的荷载组合越大,径厚比越大则管道的极限承载能力越小.使用推导出的深水管道极限承载能力公式可以快速、有效地判别管道是否安全.当铺设水深超过3 500 m时,算例中径厚比为20的管道将发生屈曲破坏,而在2 000 m水深时,径厚比超过30的管道才会发生屈曲破坏.     

侧扫声呐在海底管道路由调查中的应用

在复杂的海洋环境中,海底管道局部悬空和周围土层的冲刷是影响管道安全的重要因素。本文针对某海域海底输油管道的安全状态问题,利用侧扫声呐对管道在役状态及管道区海底地形、地貌特征开展了探测工作;结合管道区水动力条件和海底沉积物工程性质,分析了未冲刷海底、局部冲刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露悬空时的侧扫声呐图像特征。结果表明,声强度对各种异常海底都有明显的反映,当海底未冲刷时,声波强度很弱,图像中呈现出亮色区域;当声波强度增强时,为局部冲刷海底,图像表现为深暗色调;当出现塌陷凹坑时,声波强度会突然很弱,甚至没有,图像中上部为深色调,下部为浅色调;而当管道局部裸露悬空时,声波强度很强,在图像中呈现黑色的深色调。同时也证实了侧扫声呐探测法在海底管道安全状态调查中是可行的、有效的。     

海洋立管的局部冲刷实验

海洋平台立管底部的局部冲刷容易造成海底管道的暴露悬空,在波浪和水流作用下产生疲劳破坏,以往的研究多偏重于海底管道水平段局部冲刷,而对立管底部开始的局部冲刷研究较少.针对这些问题,通过实验室物理模型实验,利用波流水槽对波 流共存以及纯波浪条件下海洋平台立管 桩系统基础周围的局部冲刷进行了研究.通过实验观测立管系统周围海底地形的冲淤变化过程,得到冲刷稳定后的地形形态、各冲深监测点的冲深历时曲线及最大冲刷深度.通过对实测数据的分析,探讨了水深、波高、恒定来流流速、立管 桩系统倾斜角度以及床面泥沙粒径等参数对冲刷形态和最大冲刷深度的影响.     

超深水S型铺管的局部变形分析

为了研究超深水S型海底管道铺设时管道截面的局部变形及应力分布,以"海洋石油201"铺管船为例,首先建立"铺管船-托管架-管道-海底"的整体铺管模型,计算托辊支撑处管道承受的荷载组合:弯矩、轴力、剪力和托辊反力。再建立"托辊-管道"相互作用的局部精细有限元模型,计算了上弯段管道截面的局部变形和应力分布。研究结果可为超深水大口径S型铺管船的极限铺设能力分析提供参考。     

海底管线防冲刷技术试验研究

海底冲刷现象严重威胁着海底管线的安全运营.该文从海底管线冲刷机理入手,根据海底管线防冲刷技术的基本原理,提出了仿生防护措施--"人工草"固定法,并结合现有工程项目进行了试验研究,结果表明该方法可以有效地解决海底冲刷造成的管道悬空问题,为海底管线工程的设计、施工和维护提供了指导性的参考.     

高压干式海底管道焊接维修工艺技术

随着我国海洋石油工业的高速发展,海底输油管道数量逐年增加。截止到2010年,我国海域铺设的海底管道已超过3 000km,由于服役时间的延长、腐蚀老化、海浪冲刷、渔民作业等原因,海底输油管道泄漏事故频繁发生。针对事故多发的海底平管,论述了基于干式舱系统的海底管道停产情况下的干式焊接维修工艺技术,对我国海洋石油工业的发展具有重要意义。     

贴壁双海底管道绕流研究

针对单向水流作用下双海底管道绕流问题,基于N-S方程和标准k-ε紊流模型,对2管间距在1D < Ls < 10D情况下的双海底管道绕流时均水动力场进行计算模拟,得到不同断面的流速分布, 与试验结果比较接近;应用模拟手段分析间隔内涡旋特征随间隔比的变化规律,并对各管两端压差随间隔变化规律进行探讨,发现在10D范围内, 上游管压差远大于下游管压差,上游管更易于冲刷和悬空。     

滑坡堵江弯道床沙分选及河床变形试验研究

为了对地震后弯曲河流的灾害防治提供科学依据,通过弯道不同水流条件清水冲刷试验,分析了弯道水流结构、床沙分选及其河床变形特征,得到结论:弯道进口顶冲位置具有较大的横向流速;对于非均匀床沙弯道,河段不同位置床沙粗细化现象极为显著;弯道河段地形冲淤变化不同区域存在较大的差异.深入揭示了弯道底沙运动、冲淤变形与水流特性的相互作用机制.     

海底管线冲刷的理论研究

对海底管线的冲刷原理进行研究,通过对裸置于海床表面的管线下部的泥沙颗粒进行力学分析,导出了管线冲刷起动的临界条件。并且通过对管线冲刷达到平衡状态时冲刷坑内流速和泥沙颗粒进行分析,推导出了冲刷达到平衡时冲刷坑底部的冲止流速和最大冲刷坑深度。研究结果对于预测裸置于海床表面的海底管线的冲刷起动和平衡冲刷深度提供了一定的理论参考。     

导流板对海底管线防护功能的试验研究

提出一种防止海底管线冲刷的新方法.海底管线底部安装柔性导流板来改变周边流场及压力分布,减小管线两侧的压力差,达到减小甚至阻止管线冲刷的目的.通过理论分析和物理模型试验对单向流和往复流作用下安装柔性导流板、刚性导流板(spoiler)和无导流板的海底管线表面压力分布、管线两侧的压力差和底部的冲刷进行了比较分析.结果表明刚性导流板使管线两侧的压力差增大,冲刷深度和范围都踢显增大,并且使管线受到向下的压力,在砂质海床条件下可以实现管线的自埋.但是对于礁石性海床(礁石对管线形成部分管跨支撑)上铺设的管线容易因部分悬空而发生疲劳破坏.单向柔性导流板使管线两侧的压力差减小,冲刷深度减小,并且使管线受到的升力增大,对保持管线稳定有一定的防护作用;双向柔性导流板对管线防护效果更好,导流板达到一定长度后管线两侧压力差接近于0,管线底部冲刷基本消失,实现了对管线有效的防护.     

深水S型铺管收弃管作业分析

为研究深水S型铺管收弃管（A/R）作业过程管道的形态与受力特性,运用刚悬链线理论建立管道静平衡微分方程,结合缆索受力与铺管船移动,给出迭代求解两阶段作业过程管道与缆索形态的数值计算方法,并开发收弃管作业计算分析程序,模拟2 000 m水深弃管操作过程.结果表明,第1阶段,铺管船需要向前移动,以使A/R绞车施加的张力保持不变,管道形态变得平缓,管道内张力逐步增加而弯矩减小;第2阶段,铺管船静止,A/R绞车施加的张力需要逐步减小,管道形态变陡,管道内张力减小而弯矩迅速增加.与铺管专业软件OFFPIPE计算得到的结果吻合较好,验证了计算分析程序的有效性和实用性,从而可为实际深水管道铺设设计提供理论依据.     

Equilibrium scour depth at offshore monopile foundation in combined waves and current

Unlike the pier scour in bridge waterways,the local scour at offshore monopile foundations should take into account the effect of wave-current combination.Under the condition of wave-current coexistence,the water-soil interfacial scouring is usually coupled with the pore-pressure dynamics inside of the seabed.The aforementioned wave/current-pile-soil coupling process was physically modeled with a specially designed flow-structure-soil interaction flume.Experimental results indicate that superimposing a current onto the waves obviously changes the pore-pressure and the flow velocity at the bed around the pile.The concomitance of horseshoe vortex and local scour hole around a monopile proves that the horseshoe vortex is one of the main controlling mechanisms for scouring development under the combined waves and current.Based on similarity analyses,an average-velocity based Froude number(Fra)is proposed to correlate with the equilibrium scour depth(S/D)at offshore monopile foundation in the combined waves and current.An empirical expression for the correlation between S/D and Fra is given for predicting equilibrium scour depth,which may provide a guide for offshore engineering practice.     

正挑桩式丁坝壅水特性及其冲刷深度计算模式理论

作为一种新型河工建筑物,桩式丁坝对水流及河床的影响亟需可靠的定量研究。为此,在前人研究的基础上,结合室内试验,分析了正挑桩式丁坝区域水流特性及其冲坑特征。采用叠加水头损失的方法并以此建立能量方程式,得出桩式丁坝壅水高度的计算公式。在此基础上,通过进一步理论分析,结合试验验证,对桩式丁坝局部冲刷深度进行了探讨。首先建立了坝头水流叠加模式,进而得出了坝轴断面的流速分布式,并推导出了正挑桩式丁坝局部最大冲刷深度的理论计算公式。所建立的壅水高度和最大冲刷深度计算公式具有清晰的数学模式和明确的物理意义,并得到了室内试验的验证,可为工程设计提供技术依据。     

分汊河道水沙输移特征试验

根据分流河道的水沙特性,对现有的水沙输移计算模式进行了分类,总结了分汊河道分流分沙计算模式在国内外研究发展的现状,并进行了简要的分析评论,继而通过水槽试验对分汊河道整体水流结构和底沙输移演化特征进行了初步的探讨.试验结果表明:在汊道洲头和洲尾的局部范围内流速减小较明显,洲尾处出现水流分离区且左右两侧为高流速区;主、支汊流量的分配决定底沙输移强度,最大冲刷深度在主汊分流口下游.     

高静水压力作用下深海油气管道的局部屈曲

以有初始缺陷的厚壁钢管为研究对象,开展外部高静水压力作用下管道结构的模型试验和有限元数值模拟分析. 通过在压力缸内泵入水的方式对钢管试件施加均匀外部压力,测得钢管发生局部屈曲时的压力峰值. 基于ABAQUS软件,数值模拟分析试验钢管在静水压力作用下的屈曲和后屈曲行为,得到钢管的失稳压力和屈曲后的形态,与试验结果相比吻合较好. 利用建立的数值模拟方法,分析不同材料性能、径厚比和初始椭圆率对钢质管道屈曲的影响. 结果表明：材料硬化系数较大的管道,失稳压力较大;随着初始椭圆率的增加,管道的失稳压力显著减小;对于深水或超深水油气管道的屈曲失稳压力,国外规范的计算公式偏保守,而且不能解释不同材料硬化系数的影响.     

海底管道铺设用全位置自动外焊机行走机构设计

随着深海油气开采的不断深入,海底管道铺设用全位置自动外焊机得到了广泛的开发和应用。我国的全位置自动外焊机尚处于研发阶段,海底管道铺设用全位置自动外焊机则完全依靠进口。笔者在深入剖析国内外广泛应用的几种焊机行走机构的结构基础上,设计了适用于S型海底管道铺设用全位置自动外焊机的行走机构。该机构将焊机的驱动机构和锁紧机构完美的结合在一起,在保证焊机可靠运行的基础上,减小了焊机的尺寸,简化了操作过程。     

CFD prediction of local scour hole around bridge piers

In order to predict the local scour hole and its evaluation around a cylindrical bridge pier, the computational fluid dynamics (CFD) and theories of sediment movement and transport were employed to carry out numerical simulations. In the numerical method, the time-averaged Reynolds Navier-Stokes equations and the standard k-ɛ model were first used to simulate the three-dimensional flow field around a bridge pier fixed on river bed. The transient shear stress on river bed was treated as a crucial hydrodynamic mechanism when handling sediment incipience and transport. Then, river-bed volumetric sediment transport was calculated, followed by the modification of the river bed altitude and configuration. Boundary adaptive mesh technique was employed to modify the grid system with changed river-bed boundary. The evolution of local scour around a cylindrical bridge pier was presented. The numerical results represent the flow pattern and mechanism during the pier scouring, with a good prediction of the maximum scour hole depth compared with test results.     

地震载荷作用下海底管道轴向力简化计算

地震时地震波沿地面传播引起地面位移,地面沿直管轴向位移时使管道产生轴向拉伸应力。忽略惯性力,但考虑动水压力,采用静力分析的方法对直管进行应力分析,并结合计算实例,应用Ansys软件对海底管道进行轴向应力分析,得出结论为当地震裂度小于9度时管道不会发生断裂。