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。     

考虑溜桩效应的单桩基础承载特性数值模拟

为分析竖向和水平载荷作用下溜桩对钢管桩承载特性的影响规律,基于理论分析得到的溜桩区间数据,建立考虑溜桩效应的桩-土数值模型。结果显示：当单桩受到竖向载荷时,溜桩减小桩侧摩阻力,溜桩对钢管桩竖向承载力的影响较为显著;当单桩受到水平载荷时,溜桩条件下钢管桩弯矩大于无溜桩条件下的弯矩,说明发生溜桩会导致钢管桩产生更严重的弯曲变形;溜桩条件下的极限土抗力小于无溜桩情况。     

海上风电开孔单桩承载特性数值模拟

为分析开孔对单桩基础水平方向和轴向承载特性的影响规律,采用Abaqus数值分析软件建立大直径单桩基础桩身开孔数值模型。结果显示：桩身开孔对大直径单桩基础的水平承载特性有一定的影响,当水平载荷为1 050 kN时,开孔桩桩顶的水平位移为0.030 m,无孔桩桩顶的水平位移为0.026 m,两者相差13.3%;桩身开孔对大直径单桩基础的竖直承载特性影响不明显,当轴向载荷小于12 000 kN时,开孔对桩的竖直承载特性的影响可忽略不计;桩身开孔导致应力集中现象,竖直载荷和水平载荷作用下的应力集中系数分别为4.2和1.1。研究成果可为海上风电施工建设提供参考依据。     

分体式吊装对导管架基础竖向承载特性影响的数值模拟

以庄河海域3 000吨级海上升压站为例,基于Abaqus有限元软件建立海上升压站导管架基础模型,进行海上升压站上部组块分体式吊装对导管架基础竖向受荷特征影响规律的数值模拟研究。结果表明：采用分体式吊装方案后,升压站基础总沉降量比整体加载方案小,但基础沉降不均匀;升压站基础承受的竖向载荷与整体加载方案相比差别不大;升压站基础桩身变形略大于整体加载方案,相对容易导致桩周土体发生破坏。 虽然分级加载方案与整体加载方案相比对导管架基础的承载特性有一定的不利影响,但考虑到施工成本,可采用分体吊装方式进行施工。研究成果可为海上风电类似工程提供参考。     

腐蚀套管剩余强度数值模拟分析

套管腐蚀损坏是油气田开发过程中的重要问题之一.国内外研究主要集中在套管腐蚀速率预测及防护技术方面,对于腐蚀套管剩余强度的分析研究较少.采用数值模拟的方法对圆弧形和半月形这两种套管腐蚀后的主要形态进行分析.结果表明：套管剩余抗拉强度随圆弧形腐蚀缺陷长度的增加而增加,剩余抗挤、抗内压强度随圆弧形腐蚀缺陷长度的增加而减小;套管剩余抗拉强度随半月形腐蚀缺陷长度增加而增加,剩余抗挤强度随缺陷长度增加而减小,套管剩余抗内压、抗拉强度随缺半月形腐蚀陷深度的增加而线性减小,套管剩余抗拉、抗挤和抗内压强度都随套管壁厚的增加而增加,与圆弧形腐蚀缺陷规律相同.     

井下油管的流动诱导腐蚀数值模拟研究

根据现代流体力学的基本理论建立了流体运动的连续性方程、动量、湍流动能、湍流耗散率的守恒方程以及化学组分的传质守恒方程。根据流动诱导腐蚀的特点,建立了流动诱导腐蚀的数学模型。采用SIMPLE算法求解流动数学模型,用壁函数法计算了管壁附近湍流边界层的流体力学参数,并用VisualBasic6.0编制了计算机程序,对油管腐蚀过程进行了数值模拟。模拟结果表明,在正常生产过程中,油气井油管的中上部腐蚀严重,建议油管防腐工作的重点放在降低中上部油管的腐蚀方面。应用文中方法及求解程序,设计合理的油管直径及组合,可防止或减轻由于腐蚀、冲蚀等对油管造成的严重后果,减少油气井的维护费用,从而取得良好的经济效益。     

腐蚀缺陷对储罐接管阴极保护效果影响的数值模拟研究

由于储罐接管常年处于腐蚀环境中,容易形成腐蚀缺陷,腐蚀缺陷不易检测,且不断向纵深扩展,导致接管泄漏事故发生,因而具有很大的潜在风险。该文主要采用数值模拟的方法研究了储罐接管表面腐蚀缺陷对接管阴极保护效果的影响。通过测试极化曲线得到模拟所需要的电位和电流密度等边界条件。采用ABAQUSCAE有限元分析软件模拟接管表面不同腐蚀缺陷处的局部电流密度和电位变化情况。结果表明：接管腐蚀缺陷内的阴极保护效果与腐蚀缺陷部位的形状、大小及深度有关。在腐蚀缺陷部位,阴极保护电位和电流密度分布不均匀,使得接管上有腐蚀缺陷的部位不能得到完全有效的保护。阴极保护电流在腐蚀缺陷处被部分屏蔽,尤其是在缺陷底部。随着缺陷深度的增加或宽度的减小,缺陷底部阴极保护电位变正,电流密度增加,缺陷对阴极保护的屏蔽作用增强,使阴极保护效果变差。更负的阴极保护电位有助于提高接管腐蚀缺陷部位的阴极保护效果。试验所得结果可以为储罐接管的阴极保护效果评价提供参考。     

加氢空冷器腐蚀产物漂移特性的数值模拟与分析

分析加氢反应流出物空冷器(Reactor effluent air coolers,REAC)系统的工艺关联过程,揭示空冷器内NH4Cl、NH4HS及FeS等腐蚀产物的形成机理,建立腐蚀产物漂移沉积的数理模型;采用Mixture多相流模型和DPM(Discrete phase model)模型,模拟流动环境下加氢REAC系统中腐蚀产物的漂移沉积特性。结果表明,加氢REAC系统入口法兰处的结构突变,加剧了壁面边界层的紊动状态,气、液相间产生剪切作用对颗粒相起加速拖曳作用;液相分率、颗粒停留时间分布及沉积速率应作为加氢空冷器内腐蚀产物漂移沉积预测的关键参数,液相分率低、颗粒停留时间长和颗粒漂移沉积速率高的区域是出现腐蚀产物堵塞管束的高风险区域。数值预测的结果与红外热成像测得的表面温度场和管箱开盖的解剖结果基本吻合。     

螺杆泵工作特性曲线的数值模拟及应用

通过数值模拟方法定量获得螺杆泵工作特性曲线,评价螺杆泵在不同结构参数、不同工况、不同工作参数下的性能,为选井选泵、优化设计、工况分析与故障诊断提供基础。也是制定螺杆泵工作特性检测标准、评价产品质量、判断油井供排关系是否协调、工况是否合理的主要依据。     

局部腐蚀条件下内压对管道腐蚀速率的影响

管道在生产过程中发生腐蚀,从而导致服役管道的损坏。除化学腐蚀外,管体中由于流体压力而产生的应力也将影响管道的腐蚀,局部腐蚀形成的应力集中将极大的减小管道的耐久性寿命。文章针对生产管道所受内压力 和局部应力集中会加速腐蚀速率,严重缩短管柱服役寿命这一现象,结合化学力学效应理论,分二向应力和三向应力两种情况,建立了内压力影响管道腐蚀速率的解析模型。算例计算结果显示,该模型所得结果与目前文献中应力对腐蚀速率的影响实验研究结果相符;得出了管道所受应力越大,管道实际寿命衰减得越快等结论,对确定管道的寿命具有参考意义。
     

冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究

评价冲刷对桩基础的影响常采用将冲刷掉的土层直接移去且认为下层土体物理特性不变的方法。该方法忽略了冲刷前后土体经历的应力历程的差异及由此导致的土体特性变化。基于冲刷作用下砂土地基土体特性的变化,对平台桩基承载力性状进行了研究。对冲刷后砂土地基土体的摩擦角、相对密度和超固结率进行了估算。在此基础上提出冲刷后砂土地基极限土抗力计算公式,并对冲刷后桩基土抗力p-y曲线进行了修正。最后利用SACS 5.2软件分析冲刷后横向受载桩的动力响应。分析结果表明,忽略冲刷后土体特性的变化可能会导致横向受载桩过于保守的设计。     

钻井船插桩对海洋平台桩基影响的数值研究

运用耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange, CEL)方法对钻井船就位插桩过程引起的土体响应进行分析,得到钻井船插桩过程引起的土体响应规律。在此基础上,研究钻井船桩靴对邻近海洋平台桩基的影响,结果表明:距桩靴最近的桩基受到的影响最大;随着钻井船桩靴贯入深度增大,桩基应力逐渐增大,桩基最大应力位置逐渐下移;桩靴对其斜下方处桩基应力和水平位移影响最大。钻井船插桩过程对邻近海洋平台桩基周围土体影响深度为桩靴插入深度,桩靴对桩基承载力和轴向位移影响较小。     

渤海导管架平台外挂井槽对桩基承载力的影响

外挂井槽技术可经济有效地满足现有平台增加井槽的需求,但外挂井槽方案的实施受到多种因素的影响,其中桩基承载力是影响外挂井槽方案是否可行的重要影响因素之一。以渤海油田4腿平台为例,将外挂井槽对桩基承载力的影响分为3个方面,重点分析外挂井槽引起的水平载荷变化、垂向载荷变化和修井机井位变化对桩头力的影响。对比平台外挂井槽改造前后桩头力大小,总结外挂井槽改造引起平台桩头力的变化规律,对平台桩头力的变化进行预估,预估结果误差较小,在前期研究方案设计阶段可作为外挂井槽方案是否需要增加桩腿的判断依据。     

地基边界条件对自升式平台桩腿承载性能的影响

针对深水自升式平台桩靴边界条件模拟问题,以某300英尺(1英尺=0.304 8 m)自升式平台为例,采用ANSYS有限元软件进行静力分析和极限承载力分析,对比常规铰支和弹性基础约束条件对自升式平台桩腿强度的影响,进一步探究不同桩-土边界条件对桩腿极限承载力和失效模式的影响。结果表明：弹性基础约束方式可有效降低重力二阶效应(p-Delta效应)的影响程度,使相应工况下的有效应力明显减小,在这种约束方式下计算得到的桩腿刚度更大且桩腿会率先进入塑性阶段;铰支约束过于保守;在2种边界条件下桩腿的失效模式也有较大差异。研究结果可为自升式平台的设计提供参考。     

海洋桩基平台生活模块的隔振研究

针对海洋环境引起的桩基平台的振动,提出采用叠层橡胶支座为其生活模块进行隔振。对简化后的计算模型进行了理论分析,给出了水平限位措施和支座稳定性的校核方法。通过算例计算,研究了隔振效果,以及支座水平刚度、外激励频率与生活模块响应的关系。