采用阻流器的近壁面海底管道绕流研究

为深入了解采用阻流器的海底管道自埋机制,基于Fluent软件,结合标准k-ε湍流模型,建立了高雷诺数下安装阻流器的近壁面海底管道绕流数值模型,研究了阻流器长度和间隙比对管道尾流与壁面边界层之间复杂的相互作用以及时空演化的影响.研究结果表明采用阻流器可以显著增大管道与壁面之间流速以及管道附近脉动速度,但当阻流器长度达到临界值时,管道尾部会形成稳态结构.随着间隙比的增大,尾流演化可以分为4个区域:稳态结构、两次诱导壁面涡、单次诱导壁面涡、卡门涡街.适当的间隙比有利于诱导壁面旋涡的产生,从而加快管道周围沉积物冲刷.

航道区碎石层对霍尔锚落锚条件下海底管道防护效果研究

航道中船舶抛锚作业使海底管道可能受意外撞击,造成管道局部损伤甚至失效,进而对油气生产安全和生态环境等造成重大危害。采用碎石层防护是航道区等海域海底管道最常用的防护手段。首先基于大比尺落锚模型试验,观测了霍尔锚下落贯入碎石的3个阶段及其贯入过程中管道的应力应变状态。通过建立光滑粒子流体动力学法(SPH)和有限元法(FEM)耦合的数值模型,针对实际不同吨位通航船舶常用的霍尔锚,研究了其贯入碎石层深度及埋设管道受力和凹陷变形规律。最后分析了不同锚质量、碎石层形状和厚度等因素下埋设管道的响应规律。结果表明:采用暗埋式碎石防护层有利于撞击能量吸收,能更好地防护海底管道受损;且采用3m以上碎石防护层能有效保护海底管道抵抗各类实际常见霍尔锚的撞击损伤。

深水海底管道整体式止屈器性能数值模拟研究

为了对比准静态和动态2种加载方式对整体式止屈器止屈行为的影响,本文利用ABAQUS有限元软件建立含不同尺寸止屈器的管道有限元模型,以更贴近现实管道服役状态的动态恒定压力外载荷对模型进行加载,并与准静态加载的结果进行对比,解释了整体式止屈器的动态加强机理,分析了整体式止屈器自身结构对动态增强的变化规律。研究表明,尺寸不一的整体式止屈器存在不同程度的动态增强现象,以整体式止屈器的准静态失效标准作为设计原则过于保守,今后设计应参考更为实际的动态环境载荷。

跨斜滑断层非埋设海底管道局部屈曲分析

利用有限元软件ABAQUS,建立跨斜滑断层非埋设海底管道数值分析模型,考虑管道材料非线性、几何大变形和管土非线性作用的影响,模拟跨斜滑断层海底管道在正常操作阶段的局部屈曲响应。针对管道壁厚、铺设残余张力、穿越断层角度等敏感性参数变化下海管局部屈曲失效、侧向位移和轴向拉伸应变等进行分析,为跨斜滑断层非埋设海底管道的前期设计、安全评价、维修保护等提供参考。

冲击载荷下含腐蚀缺陷的海底管道损伤分析

针对海底油气管道因冲击和腐蚀易造成管道损伤破坏的问题,基于耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)建立坠物-腐蚀管道-海床土体冲击有限元模型,分析了坠物质量、速度、埋深和腐蚀深度对含腐蚀缺陷管道损伤的影响,并与未腐蚀的完整管道进行了对比。以此为基础,分析了内压和腐蚀深度对撞击后的腐蚀管道应力的影响规律。研究结果表明:含腐蚀缺陷管道受冲击损伤程度均大于完整管道,同等撞击速度、质量和埋深下,冲击损伤值最大分别相差68.6%、14.3%和194.7%;撞击后的腐蚀管道和完整管道最大等效应力均随内压增加而增大,同等内压等效应力值最大相差50.4%;同等腐蚀深度下,未撞击腐蚀管道和撞击后腐蚀管道等效应力值最大相差11.7%。这表明海底油气管道冲击损伤分析应考虑腐蚀缺陷的影响。研究方法及结果可为海底油气管道冲击损伤分析与评价提供参考。

交叉海底管道探测方法研究

随着海洋石油工业的迅速发展,铺设于海底的管道及电缆数量迅速增加,海底管缆交叉现象日益频繁。海底管缆交叉现象给安全生产和环保带来极大的隐患。及时了解交叉海底管缆的位置、状态等信息,为交叉海底管缆的维护提供科学是交叉海底管线探测工作的首要任务。本文根据大量工程经验,对交叉海底管道探测技术及实施方法进行了归纳总结,结合实例数据,对各探测方法适用性进行了总结。本文工作对提高交叉海底管线探测效率具有重要意义。

1种可调节的海底管道对接夹紧装置

文章设计的1种可调节的海底管道对接夹紧装置能够适应多管径的海底管道对接与紧固操作,该装置不仅能够解决两海底管道因紧锁而不在同一共轴上的现象,而且通过灵活调节螺杆,还能精准地调整两海底管道的中心轴位置,从而有效纠正对接错位的情况。拟设计的海底管道对接夹紧装置,不仅可以优化作业效果,同时也可以加快工作进度。

沙波区双层海底管道整体屈曲设计研究

对于凝点较高的海洋石油产品,在开采过程中,通常采用双层保温海底管道进行输送,这导致裸置在海床上的海底管道在运行过程中全程保持着高温状态,需要对海底管道进行整体屈曲设计研究。本文基于DNVGL-RP-F110规范对双层保温海底管道整体屈曲开展研究,以南海某油田开发项目为例,对沙波区海底管道的强度、行走、热循环疲劳等工况进行分析,结果表明,在某些工况下,需要采取缓解措施抑制总体屈曲对海底管道的潜在危害,保障海底管道在运行期内的可持续性安全。

新型保温材料在海底管道上的应用探索

国内混输双层海底管道保温层常规采用聚氨酯材料,其导热系数相对较大并且存在老化的问题,而且需要匹配较大规格外管及混凝土配重以保证管道强度及稳定性。本文以渤海某拟建项目混输管道为例,探索了应用气凝胶作为保温材料,进行了优化外管管径及混凝土配重层可行性的探索。并对优化过程中需要关注的重点关注的问题进行了总结。

基于同伦分析方法和神经网络的复杂腐蚀缺陷海底管道屈曲压力计算方法

针对含复杂形状腐蚀缺陷海底管道屈曲压力计算难的问题,本研究中采用同伦分析方法对含复杂腐蚀缺陷海底管道的屈曲压力进行了计算,并用有限元方法进行了对比验证,进而根据计算结果提出了基于神经网络模型的海底管道屈曲压力的计算方法。结果显示:同伦分析方法可以有效、准确地计算含复杂腐蚀缺陷海底管道的屈曲压力,在相同情况下抛物线形腐蚀管道的临界屈曲压力大于椭圆形管道的临界屈曲压力。基于神经网络模型的腐蚀海底管道屈曲压力计算方法具有良好的泛化性能,可以很好地应用于工程现场的计算。

面向海底管道巡检的AUV三维自适应路径跟踪

针对面向海底管道巡检任务的欠驱动自主水下航行器(AUV)三维路径跟踪控制问题进行研究。首先,在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型,为设计适宜运动控制的三维路径跟踪控制器,建立流体坐标系,并在Serret-Frenet坐标系下建立AUV的路径跟踪误差模型;其次,将可变前视距离引入传统视线(LOS)制导策略,提出一种自适应LOS制导策略以提高制导精度,并基于此设计面向海底管道巡检的AUV三维路径跟踪控制器,使得AUV可有效跟踪设定的参数化路径;最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果验证了所提面向海底管道巡检的三维路径跟踪控制器的有效性。研究成果能够改善AUV的操纵性,可为面向海底管道巡检的无人水下航行器路径跟踪控制方法提供参考。

有无配重海底管道连续铺设的研究

传统海底管道铺设,多为单条管道全部带混凝土配重或全部不带混凝土配重两种。随着海底管道铺设技术的不断进步,开始在同一条海底管道上存在不带配重和带配重两种形式。这就给海底管道安装带来了新的课题,需采用新的技术攻克解决。

海底管道切割机的设计

为了解决海底管道的维修、回收等问题,对几种海底管道切割技术进行了研究,并设计一种基于机械切割技术的海底管道切割机。文中分别对海底管道切割机的整体结构、海底管道切割机的液压系统进行了设计,同时采用软件对关键零部件进行了有限元分析,为海底管道切割机的研制提供重要的参考。

基于FDHHFLTS-BN的海底管道泄漏失效风险定量分析

为预防海底油气管道泄漏失效事故,提出基于自由双层次犹豫模糊语言术语集(FDHHFLTS)和贝叶斯网络(BN)的FDHHFLTS-BN风险分析方法,用于分析海底油气管道泄漏失效事故概率及事故的关键风险因素。将故障树模型转换为BN结构,由专家根据FDHHFLTS评估基本事件发生可能性;采用最佳最差法(BWM)确定专家权重,结合相似性聚合方法(SAM)聚合专家意见;依据构建的BN模型,正向推理得到事故发生概率,反向推理得到后验概率,并进行敏感性分析。将该方法应用于实例分析,结果表明:分析段海底管道泄漏事故的概率值为P=6.20×10^(-3);焊缝施工缺陷、材料施工缺陷和渔具作用等为事故发生的关键因素;与传统方法对比分析结果证明,所提方法在确定海底管道风险方面具有一定的优势。

考虑颗粒破碎影响的钙质砂中海底管道贯入机制研究

通过离心机模型试验,结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示,钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系,其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)中相同深度锥尖阻力的乘积。当管道埋深较小时,由于土体变形主要以颗粒重排挤密为主,管道竖向贯入阻力几乎不受颗粒强度影响;当管道埋深较大时,管道竖向贯入阻力随着颗粒强度的降低以及颗粒破碎的加剧而减小。钙质砂中管道竖向贯入机制主要表现为典型的冲剪破坏,土体变形主要集中在管道底部,且水滴状变形区域随着颗粒破碎的加剧逐渐收缩。颗粒破碎从管道底部向远离管道径向发展,大量贴近管道底部的颗粒发生连续破碎,少量远离管道的颗粒发生独立破碎。颗粒破碎导致管道底部土体中的集中应力释放,颗粒破碎越多,应力释放导致管道竖向贯入阻力减小的现象越明显。

抛锚对海底管道影响的离心模型试验研究

锚击是影响海底管道安全运营的重要因素之一。采用天科院TK-C500土工离心机以及新开发的抛锚试验装置开展了抛锚离心模型试验,测量了海底管道的受力变化,分析了抛锚作业对浅埋海底管道的影响。试验结果表明,落距对管道弯矩的变化有着普遍性的影响,管道弯矩增量与落点的水平距离和管道埋深呈现明显的非线性特征。当12.3 t霍尔锚落在φ630管道正上方时,各种不同落距各种不同管道埋深工况,管道弯矩增量都远大于其塑性屈服弯矩,管道的安全运行已经受到了严重威胁。当落距小于3.5 m、水平距离大于1.4 m时和当落距增大到7 m、水平距离大于2.8 m时,管道弯矩增量不会超过塑性屈服弯矩;随着落距继续增大,锚落于管道一定范围内时,都将对管道安全运行产生严重威胁。

某深水海底管道牺牲阳极消耗异常的原因

近年来,南海东部海域出现了海底管道牺牲阳极加速消耗的情况,深水阴极保护系统面临失效风险。为了探究海底管道牺牲阳极消耗异常的原因,对管道开展了设计资料调研与室内评价试验,其中室内评价试验包括管线钢的保护电流密度需求量试验、阳极电化学性能评价试验和海管与水下系统结构电连接的室内缩比试验,着重探究了温度以及海管与水下结构物电连接对牺牲阳极消耗的影响。结果表明:温度不是引起海底管道阳极消耗异常的主要因素,而当管道与阴极保护状态较差的水下结构物电连接时,靠近水下结构物的海管牺牲阳极输出电流增大,阳极使用寿命将大幅降低,这是造成牺牲阳极加速消耗的主要原因。

海流作用下坠物沉降及撞击海底管道数值模拟研究

采用基于浸入边界有限元法的流固耦合数值模拟方法,对海流作用下坠物撞击海底管道完整过程进行了数值模拟研究。数值结果表明:在自由沉降时,坠物的流向速度与海流速度基本一致,不同海流速度下相同质量的坠物垂向速度基本一致,但在较低的坠物质量和海流速度下会出现冲跃现象,球形坠物的垂向阻力系数比立方形坠物小,并且阻力系数随坠物质量的变化而变化,坠物沉降角度随海流速度的增加而增大;在坠物接近海底管道时,流向速度逐渐减小,垂向速度均为先增大后减小,立方形坠物减小程度要比球形坠物大,质量大的坠物垂向速度减小的程度也要比质量小的大;在坠物撞击管道时,球形坠物撞击速度比立方形大,撞击速度比自由沉降速度大,撞击角度比自由沉降角度小,最大应力和凹痕均比无海流作用时小,球形坠物应力减小幅度为4.44%~16.71%,立方形坠物应力减小幅度为9.29%~12.14%,球形坠物凹痕减小幅度为4.17%~30.58%,立方形坠物凹痕减小幅度为10.41%~14.44%。

波浪式拖管法铺设海底管道力学性能研究

海底管道铺设是海洋油气资源开发的重要环节,传统的拖管法不能很好地适应海洋深度和复杂环境的变化。针对Acergy公司在Girassol项目中提出的一种波浪式拖管方法,对其应用于2.0 km长海底管道铺设进行分析。首先,结合深水海洋环境特征,采用集中质量法建立管道拖航数值模型,并介绍管道、拖缆和浮筒力学计算及水动力荷载计算方法;其次,基于非线性有限元OrcaFlex软件对拖管过程建模,以模拟实际项目拖管过程;然后,通过对比相同条件下的单波式和双波式两种拖管方式,探讨管道和拖缆的动态力学性能变化;最后,针对不同浮重比、拖航速度、拖缆长度和悬垂角、海流流速和流向角等因素展开敏感性分析。结果表明:波浪式拖管法可以有效地降低施工时对拖缆的张力需求,但也会因此增加管道局部弯矩和应力响应;相对于单波式拖管,双波式拖管在缓解由于拖航速度等变化而产生的管道局部损伤效应上更有优势,并能较好地适应不同水深环境;复杂的海流工况对拖航时管道的力学性能影响十分显著,施工前应选择合适的铺设窗口期以防止管道产生损伤。

DN1000大口径水平弯在海底管道中的应用

某大口径天然气海底管道工程受外部条件限制,必须设置水平弯来完成管道路由的转向。在缺乏成功案例供参考的情况下,文中结合工程特征和天然气管道/水平弯特性,同时借助MOSES等软件,对水平弯的安装过程进行了模拟,作了起吊/下放过程、浮吊船运动影响、安装疲劳等计算分析,并通过优化浮吊船起吊参数和水平弯两侧海底管道配重厚度等方法,顺利完成DN1000厚壁大口径、高配重、高难度海上水平弯的应用,对后续同类工程具有一定的借鉴意义。