海洋钻机管汇设计与计算

海洋钻机管汇与海洋钻机安全和海洋环境保护密切相关,是海洋钻机重要的组成部分.为改进管汇的设计质量、提高管汇设计与相关标准的符合度,对海洋钻机管汇常用的标准、规范作了分析,提出了管汇设计的一般要求和注意事项.利用管汇应力分析软件对海洋钻机管汇进行了应力计算与模态分析,得到了管汇系统的规范应力和阀门组固有频率,进而分析得出不同用途管汇的设计关注点,以及钢架对管汇阀门组的固有频率影响.通过标准、规范分析和应力计算,使海洋钻机管汇满足了标准及规范要求,提高了设计质量,也为陆地钻机管汇设计、计算和使用提供了借鉴     

粒子冲击钻井中管汇冲蚀磨损模拟分析

为了对粒子冲击钻井中管汇冲蚀磨损进行模拟分析,建立了弯管、冲管、鹅颈管、钻杆接头、钻头喷嘴等管汇系统的数学模型和物理模型。选用有限体积法进行离散,将网格模型导入FLUENT软件中进行数值模拟,对不同影响因素下的结果进行分析。通过模拟结果,分析了90°弯管、冲管、鹅颈管、钻杆接头、钻头喷嘴等管汇部件在不同排量、粒径、粒子浓度下的冲蚀磨损情况;对比分析了排量、粒子直径、粒子浓度3个不同变量对管汇系统不同部件冲蚀磨损。分析得到的规律有助于对磨损情况进行精确预测,确定管路安全使用的标准,从而确保钻井安全。     

水平分支型集输管汇偏流程度数值模拟研究北大核心CSCD

以水平分支型集输管汇为研究对象,选用FLUENT作为模拟软件分析了管汇入口来流气相折算速度、液相折算速度对水平双出口与水平四出口管汇偏流程度的影响规律,并开展了水平双出口分支型管汇偏流敏感性分析。结果表明,如果管汇几何结构完全对称且各出口压力相同,那么双出口管汇内各分支管的流量将会均匀分配,而四出口管汇则会出现偏流。2个分支管长度存在较小偏差对水平双出口分支型管汇偏流的影响可以忽略不计;实际生产中双出口分支型管汇偏流的主要原因为各分支管出口压力不一致和当量管径不一致,当两个分支管出口压力偏差恒定时,存在着决定管汇偏流严重程度的临界气液比;若来流气液比小于该临界值,则管汇偏流程度通常在可接受范围内。为控制由分支管管径偏差引起的偏流,建议首先可以考虑调节来流气液比,其次考虑清管处理。本文研究成果可为控制集输管汇偏流程度提供依据。     

压力容器底撬计算的一种新方法

把压力容器底撬等效为一次超静定欧拉梁结构,以欧拉梁理论为基础,采用近似理论解与有限元数值模拟的方法计算并分析了压力容器底撬在机械载荷作用下的弯曲变形,用工程实际中最常用的简支边界条件下的计算结果进行了验证,并给出了相应的数值、图片计算结果。结果表明,一次超静定结构对底撬的弯曲变形有显著影响。     

管汇下放过程中的水动力系数计算

管汇是水下生产系统中的重要组成部分,精确确定管汇的水动力系数,对于保证管汇安全安装有着重要意义。通过数值模拟的方法,利用前处理软件ICEM,建立管汇模型;利用流体软件FLUENT中的UDF技术及动网格模型,模拟管汇的匀速运动及加速运动,得到管汇在运动中受到的阻力;无因次化后,得到管汇的水动力系数。使用同样的方法计算了长方体模型的水动力系数,并与规范DNV-RP-H103中的值进行对比,结果误差在3%以内。采用的研究方法具有一定的精度和可靠性,可以为管汇的下放安装提供指导。     

基于ANSYS/LS-DYNA的海底管道受抛锚撞击动力学仿真

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析方法,对海底悬空管道受抛锚撞击过程进行了数值仿真。采用非线性弹簧模拟管—土之间的耦合作用,应用弹塑性碰撞理论求解了海底管道悬跨段受锚击部位的等效应力、应变时间历程,同时探讨了锚击速度、混凝土保护层对管道最大等效应力的影响。     

循环流化床煤粉气化炉内气固三维流动特性数值模拟

采用基于气相k-ε湍流模型、颗粒相颗粒动理学模型的欧拉-欧拉双流体模型,对循环流化床煤粉气化炉内气体和颗粒两相三维流动特性进行了冷态数值模拟,得到了炉内颗粒体积分数、颗粒速度的分布情况以及进料管与回料管的颗粒扩散距离。模拟结果表明,循环流化床煤粉气化炉内呈现下部密相区、上部稀相区的颗粒分布特性。     

刚性球体三维入水冲击数值仿真

为研究球体入水冲击载荷特性，并进一步研究相似准则及各参数的影响，使用CFD方法和重叠网格技术对刚性球体入水问题进行数值仿真，分析不同比例完全相似的球形结构体在不同入水角度和入水速度等多种工况下的冲击载荷特性。结果表明：采用控制变量法在一定参数范围内入水冲击载荷峰值与球体半径的2次方、入水速度的1.5次方和入水角度的0.6次方依次成比例；在质量和速度耦合分析中入水冲击载荷峰值与入水速度的1.5次方和质量的0.5次方的乘积近似成比例。研究结果可为模型试验提供参考，为从模型数据计算实型数据提供计算法则。     

分流型管汇偏流现象的数值模拟研究

油气田集输系统中,管汇主要用于收集各井口采出物,并将其输送至油气处理设施。油气集输管汇各出口管路流量分配不均的现象严重影响了下游油气处理设施运行的经济性与安全性。针对分流型管汇,分别选取空气和空气-水为流动介质,给定不同的气相折算速度v_(sg)和液相折算速度v_(sl),基于FLUENT仿真软件研究管汇流量分配规律和偏流成因。FLUENT模拟结果表明,无论是单相流还是气液两相流,分流型管汇都会出现偏流。大多数工况下,来流由气相转变为气-液两相后,管汇气相偏流程度均会加重。当v_(sg)较小时,气相中引入液相,在液相携带下,更多的气相将进入分流管,使得管汇气相偏流程度降低。经分析可知,造成管汇偏流的主要原因有惯性力的作用、涡流的影响和压力分布不一致。随着v_(sg)或者v_(sl)增加,流体受到的惯性力增加,管汇气相、液相偏流程度均会加重。通过对分流型管汇流量分配情况的数值模拟分析,可为设计高效、经济的油气集输管汇几何结构提供依据。     

用改进的RNG κ-ε模型模拟旋风分离器内的强旋流动

在RNG k-ε湍流模型的基础上,对模型常数和近壁面处理方法加以改进,并将其应用于旋风分离器内强旋流动的数值模拟。将计算结果与标准的k-ε模型、RNG k-ε模型、Reynolds应力输运模型和实验数据进行比较。结果表明,用改进的RNG k-ε湍流模型得到的数值结果与标准的k-ε模型、 模型相比准确性具有显著的提高。改进的RNG k-ε湍流模型和Reynolds应力输运模型对旋风分离器内流场分布的预测与实验结果比较吻合,并且前者所需计算时间却大大缩短,更适合工业上应用。随后采用欧拉-拉格朗日模型（湍流模型为：Reynolds应力输运模型）和欧拉-欧拉模型（湍流模型为：改进的RNG k-ε模型）分别对旋风分离器内的气固两相流动进行计算,考察了旋风分离器内的颗粒浓度分布特点。结果表明,使用改进的RNG k-ε湍流模型的欧拉多相流模型也可以较好的重现旋风分离器内的气固两相流动特点,并应用于旋风分离器的优化设计。     

铜镍管焊接工艺在采油平台海水管线改造中的应用

某平台海水消防管线在钻修井设备安装过程中,发现影响设备滑移与就位,经业主方与施工主管单位同意,将此消防管汇切割,设备就位后更改管线走向,重新预制、焊接、安装。海水消防管汇采用铜镍合金,为保证管汇焊接质量及使用寿命,本文对铜镍合金管件焊接工艺,铜镍管焊接特点及影响焊接的多种因素进行了探讨与实践,确保工程质量符合要求。     

基于CFX的水平管等径三通失效分析数值模拟

应用计算流体动力学（CFD）方法及CFX软件,建立水平管等径三通中的流体湍流和冲蚀数学模型。考虑等径三通近壁面处湍流的衰减,设定流动介质的气相为连续相,液相为离散相,边界条件设定为质量入口和压力出口组合,其中进口为气液两相质量流量和体积分数,出口为截面平均静压。采用稳态模拟和有限体积法对充分发展的气液两相流管内流动进行数值模拟,经过计算得到流动介质的速度流线、速度矢量及气液分布。其中,气相速度最大为21．2m／s,液相速度最大为13．4m／s;流速增大时,气液两相流的壁面切应力相应增大,气相最大切应力为36．87Pa,液相最大切应力为68．24Pa。剪切力破坏管壁腐蚀产物膜,加剧腐蚀产物膜的脱落。综合各因素解释等径三通冲蚀磨损的原因,同时结合失效样品壁厚检测结果,论证气液两相流对水平管等径三通冲蚀磨损的失效规律。     

温度应力对换热器管束动特性的影响分析

为了研究分析温度应力对固定式换热器管束动特性的影响,提出了精细有限元模型分析和简化有限元模型分析。精细模型把壳体、固定板、折流板采取空间壳单元模拟,换热管采用空间梁单元模拟进行分析计算。简化模型取折流板缺口处的换热管为研究对象,采用空间梁单元模拟进行分析。从计算结果可以发现,当壳壁的温度大于管壁温度时,应力刚化使换热管的自振频率有不同幅度增加,增幅最小的固有频率增幅较小,当壳壁的温度小于管壁温度时,应力软化使换热管的固有频率有不同幅度的减小,减幅最大的固有频率减幅较大。     

用改进的RNGk-ε 模型模拟旋风分离器内的强旋流动

在RNG k-ε湍流模型的基础上,对模型常数和近壁面处理方法加以改进,并将其应用于旋风分离器内强旋流动的数值模拟。将计算结果与RNG k-ε模型、Reynolds应力输运模型(RSM)的计算结果及实验数据进行比较。随后采用欧拉-拉格朗日模型（湍流模型为RSM）和欧拉-欧拉模型（湍流模型为改进的RNG k-ε模型）分别对旋风分离器内的气、固两相流动进行计算,考察了旋风分离器内的颗粒浓度分布特点。结果表明,改进的RNG k-ε模型和RSM对旋风分离器内流场分布的预测结果与实验结果比较吻合, 并且前者所需计算时间却大大缩短,更适合工业应用。使用改进的RNG k-ε湍流模型的欧拉-欧拉多相流模型可以重现旋风分离器内的气、固两相流动特点,并应用于旋风分离器的优化设计。     

基于CFD的管汇非惯性水动力系数计算

进行管汇水动力分析和计算,确定准确的管汇受力数学模型对于管汇的下放系统数值分析以及安全下放安装具有重要意义。通过流体动力学软件FULENT建立管汇的水动力计算模型,求得管汇非惯性水动力系数,数值结果与现有的经验估算结果进行比较和分析,验证了该方法的有效性,为管汇下放安装的仿真和控制奠定了基础。     

平板与圆锥体入水的三维数值模拟

对平板和圆锥体的入水砰击问题进行了三维数值模拟。研究了砰击压力在平板底面各测点上的分布、与圆锥底升角的关系、以及与结构物入水速度的关系。比较了平板自由落体入水和等速入水产生的砰击压力峰值、平板和0°底升角圆锥最大压力峰值的关系。结果表明计算与试验较为吻合,三维数值模拟技术可以有效地用于结构物砰击压力研究。     

基于弹性变形的滑轮法安装水下管汇的钢丝绳静力学分析

基于钢丝绳下放过程中因受力而产生的微小弹性伸长量,分析水下管汇在海面上、入水以及吊装等3个不同阶段的钢丝绳形态、有效张力和弹性伸长量随钢丝绳位置的变化,并通过Matlab编程对算例进行数值求解。结果表明:钢丝绳在吊装管汇前呈悬链线和近悬链线形态;在吊装管汇后呈近似直线形态,且钢丝绳有效张力和伸长量随着管汇质量增加而明显增大;在吊装管汇后,钢丝绳顶部的有效张力最大,是安装过程中的危险部位,需进行监测和预警。研究结果对实际下放安装过程中提高安装精度和安全性具有指导意义。     

荔湾3-1气田深水水下管汇总体设计技术研究

水下管汇是最常用和重要的水下设施之一,本文具体针对南海深水气田荔湾3-1西区管汇的工程实例,从管汇基础、框架结构、管汇连接系统、内部管道系统和总体布置方面对深水水下管汇的总体设计技术研究进行了总结,并结合项目条件对西区管汇的设计方案,操作策略进行了研究和三维模拟,验证了荔湾气田西区管汇总体布局的ROV可操作性和设计合理性。该文的成果对于开展深水水下系统设施共性技术的研究具有重要的指导意义。     

单点式油气开发系统中水下管汇管道应力分析

介绍了海洋石油开发过程中单点式水下生产系统的典型组成,指出了水下管汇安全可靠对生产系统正常运行的重要影响,分析了水下管汇受力的多样性、复杂性以及初步设计完成后进行整体应力分析的必要性。利用AutoPIPE软件,以某项目单点式油气开发系统中水下管汇为例,介绍了从设计参数、工况设置、分析建模到模拟结果及分析的管道整体应力分析全过程,对水下管汇在复杂应力作用下的安全性进行了研究和优化。应用AutoPIPE软件获得的管汇分析结果更加全面、准确,能确保设计安全。     

基于CEL的船舶抛锚入泥深度分析

为了研究土壤不排水抗剪强度、落锚速度、锚尺寸及质量对船舶抛锚入泥深度的影响,基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了抛锚入泥深度数值分析模型。建模时采用八节点欧拉单元EC3D8R模拟土壤,采用八节点拉格朗日单元C3D8R模拟锚,并将其定义为约束于参考点的刚体;为减小边界效应对计算结果的影响,分别选取对应于8倍锚爪宽度与厚度及8倍锚杆高度的范围作为计算区域。模拟结果表明,抛锚入泥深度变化与土壤不排水抗剪强度增大成反比关系,且入泥深度变化幅值随不排水抗剪强度值的增大而逐渐变小;抛锚入泥深度变化率与锚质量变化率及土壤水平接触面积变化率的比值呈线性关系。