地表冲沟条件下悬空管道的力学模型与延寿分析

各种类型的地质灾害严重影响埋地油气管道的服役年限。为此,采用经典力学中的弹塑性地基模型和Winkler弹性地基模型进行理论建模,根据工程实际情况结合两种模型各自的优点,构建有限元实体模型,并选择冲沟引发管道悬空为研究对象进行仿真计算,得到悬空管道结构与强度、刚度之间的定量关系;进而提出了通过减小重量变动,改变材料组成及结构,来提高悬空管道抗弯性能的技术思路,即借鉴碳纤维材料强固技术提升钢筋混凝土梁柱的抗弯曲和抗剪切能力的经验,设计管道的强固结构。在此基础上,综合分析管道悬空力学模型的理论数据和工程相似性。结果表明:①使用碳纤维材料来强固管道结构,可以改善管道抗弯和抗剪切能力,并且可开展实验进行定量研究;②碳纤维强固技术在管道设计与施工阶段的运用,可作为地质灾害下管道延寿工程的源头治理方法之一。

基于蒙特卡洛法的埋地悬空管道结构可靠度分析

为了计算埋地悬空管道的可靠度,基于蒙特卡洛统计模拟法,结合受力特征,建立了埋地悬空管道结构可靠度计算模型并计算了某黄土湿陷区埋地悬空管道的可靠度。为了描述不同影响因素对管道可靠度的影响程度,从管道失效概率的角度定义了参数的敏感性指标,对管道设计中经常涉及的管道外径、壁厚、埋深、悬空长度、屈服强度、温度差、管道内压7个随机变量进行了敏感性分析,讨论了参数的变化对管道可靠度的影响。结果表明:建立的埋地悬空管道可靠度计算模型能够对埋地悬空管道的可靠度进行计算;管道的悬空长度对可靠性影响程度最大,最大程度减小管道的悬空长度,适当减小管道埋深,降低管道内压,增大管道壁厚和屈服强度,有助于提高管道的可靠度。

基于弹塑性地基模型的湿陷性黄土地段悬空管道受力分析

根据湿陷性黄土地段塌陷区悬空管道的受力特点,建立考虑管道轴向载荷和地基塑性变形的悬空管道受力的弹塑性地基模型,推导悬空管道受力和变形计算公式,并利用V isual Basic计算机语言编制相应的计算程序对某湿陷区悬空管道进行模拟计算;将悬空管道的力学分析计算结果与实测值和W inkler地基模型计算结果进行对比,分析轴向载荷和地基刚度对计算结果的影响。结果表明:弹塑性地基模型比W inkler地基模型具有更高的计算精度,更符合工程应用;轴向载荷对悬空管道受力和变形影响显著,在悬空管道设计校核中不能忽略;地基刚度对弹塑性地基模型计算结果影响不显著。

海底悬空管道受坠物撞击凹陷损伤研究

基于非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立海底悬空管道受坠物撞击的三维模型,考虑接触、摩擦和管土耦合作用,模拟海底悬空管道受坠物撞击的动态响应过程。通过大量的数值模拟,对比分析撞击能量、撞击角度以及坠物与管道间的摩擦对海底悬空管道受撞击部位凹陷损伤的影响。结果表明:管道受撞击部位的凹陷损伤随撞击能量的增大而变大;坠物撞击角度越大,管道受撞击部位的凹陷损伤越大;坠物与管道之间的摩擦使管道受撞击部位凹陷损伤略微增大,但影响很小。

含腐蚀坑缺陷悬空管道的安全研究

以西一线甘肃段某天然气管线为工程背景,由于土壤长期对管道腐蚀性影响及不良地质作用,含有腐蚀缺陷管道意外产生悬空。利用ASME B31G,DNV RP-F101标准和PCORRC方法对在役含腐蚀坑缺陷悬空管道中允许的腐蚀坑缺陷尺寸进行了确定。基于应变失效准则,建立管道在不同地区的失效判别标准,借助Abaqus有限元分析软件,研究含腐蚀坑缺陷悬空管道的失效位置及腐蚀坑缺陷的长度和深度对管道应力、应变、位移和对管道的安全、极限悬空长度的影响,结果表明,腐蚀缺陷深度系数对管道影响较大,当深度系数k1≥0.4后,管道的安全和极限悬空长度急剧减小,管道极易发生失效。

输油悬空管道洪水冲刷作用下的安全评价

洪水冲刷是影响输油悬空管道稳定性的重要灾害之一。对洪水冲刷输油悬空管道进行受力分析可知,漂浮管道易产生拉弯变形。为此,建立了水冲管道力学分析模型,应用基于应变准则的失效判据关系式来判断管道的安全状态,并用有限元软件ABAQUS对X60输油管道在一定洪水流速和一定悬空长度2种工况下的安全状态进行模拟与分析。分析结果表明,最大应力、应变及挠度与悬空长度成正相关关系;一定悬空长度下,最大应力、应变及挠度与洪水流速成正相关关系,且当流速大于3 m/s时,管道的振动频率升高,加大管道失效可能性。水冲悬空管道的危险点位于埋设段与悬空段交汇处的水流入侧。

三维海底悬空管道自振特性研究

利用有限单元法对三维海底悬空管道的自振特性进行了模拟分析研究,建立了悬空管道的三维分析模型,得到了三维管道刚度和质量矩阵,并形成了悬空管道的自由振动方程。采用机械振动的广义JACOBI理论编制JACOBI程序,计算固有频率的数值解及临界悬空长度。结果表明,采用JACOBI程序可以快速、方便地求出海底悬空管道的固有频率,为海洋工程的管道设计提供依据。

基于LS-DYNA海底悬空管道受坠物碰撞动力响应分析

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,采用非线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。通过大量的数值模拟得出:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小,且随着坠落物能量的增加,其差值增大;随着坠落物速度、坠落物质量的增大,管道撞击部位凹陷变形加剧,海底管道悬空段的最大振动幅值增大;相同坠落物能量的情况下,坠落物与悬空管道的接触面积越小,悬空管道的损伤深度越大;海床土体参数(剪切弹性模量、内摩擦角、密度)的变化对悬空管道的凹陷损伤深度及悬空段的最大振动幅值的影响较小。

地震波动下悬空管道的动力响应分析

在分析管道振动原因和控制指标的基础上,采用ABAQUS有限元软件对悬空管道进行了模态分析,并以模态分析为基础,采取谱分析方法对悬空管道进行了动力响应分析。以兰成渝兰州段某段悬空管道为对象,分析了7级和8级罕见地震作用下管道的最大应力和位移。分析结果表明,8级地震作用下管道的最大应力和位移为7级地震的2.2倍,不同烈度下管道的横向位移和应力响应要远远大于轴向位移和应力响应;对于大多数悬空管道,地震造成的影响较小,在工程安全判定中地震的影响作验证即可。最后就管道的不同部位,提出了几点防震措施。

海底天然气悬空管道的动力学分析

海底悬空管道在受到波浪或海流的涡激振动作用时易发生共振,严重时会导致管道失效,为了减少或避免共振的发生,有必要弄清导致海底管道发生共振的各因素相关联系。以海底天然气管道为研究对象,在ANSYS中建立了管道模型;采用ANSYS模态分析方法,对海底天然气管道的固有频率进行了研究,分析了管道跨长、边界条件和管径三个影响因素对天然气管道固有频率的影响。总体来说,管道跨度越短,固有频率越大;管道两端约束条件越少,固有频率也越小;管径越小,固有频率越小。这样可以通过改变或优化管道跨长、约束条件和管道尺寸来减少或避免海底悬跨管道发生共振。

埋地悬空管道弹塑性受力分析与计算

埋地管道在各类地质灾害的作用下,可能导致管道下方土层塌陷或流失,使管道局部处于悬空状态,严重威胁管道的安全运行.首先,基于弹塑性地基梁理论,根据管道不同受力情况将管道划分为悬空段、塑性段和弹性段,分段建立管土相互作用下管道挠曲微分方程,并结合边界条件和连续条件给出悬空管道挠度和内力的求解方程;其次,采用遗传算法求解悬空管道挠度,以提高计算效率与计算精度;最后,忽略管道的轴向荷载,推导出悬空管道塑性区长度上限值.算例分析表明,与文献中的悬空管道力学模型相比,理论解与有限元数值模拟吻合最好,可用于工程设计与分析.

海底悬空管道的静力分析

研究了沿立管与水平管连接处悬空管段的静态分析,讨论了海底悬空管道所受的环境载荷,并开发了相应的计算机软件。该软件不但能计算静载荷下的强度,还能计算静态强度下的临界悬空长度。将理论结果与数值计算结果做了比较,结果表明,两种计算结果是一致的。

海底悬空管道内部流体对振动特性的影响

在实际海洋环境中,海底悬空管道的振动受到海洋流体及内部输送流体的作用而具有新的特点。文章建立了受内部流体影响的管道自振特性分析的有限元模型,研究了内流影响管道自振特性的机理,给出了受内流影响的管道固有频率的数值解和避免共振的临界内流速度,为海底管道的使用和维护提供参考。

坠落物撞击作用下海底悬空管道失效分析

海底悬空管道受坠落物的撞击会产生机械损伤,对管道安全运行有很大的威胁。为了保证管道的安全运行,对坠落物在海水中的运动状态进行研究,得到坠落物在海水中运动的速度公式。对海底悬空管道受钢质球形坠落物撞击的过程进行数值模拟,研究坠落物质量和管道所处深度对管道损伤的影响。结果表明:当相同质量的钢质球形坠落物撞击海底悬空管道时,管道所处深度小于临界深度时,深度越大管道的等效应变和凹陷深度越大;当不同质量的钢质球形坠落物撞击海底悬空管道时,坠落物质量越大,当相同深度下管道的凹陷深度越大。对管道是否失效进行研究,得到不同判据下管道的失效状态,为工程实际中管道失效分析提供参考依据。

埋地悬空管道的应力分析及计算

埋地管道由于受到各种潜在地质灾害的威胁,可能导致管道下方土层塌陷或流失,使管道处于悬空状态,引起管道失效,给管道运行带来安全隐患,并伴随带来严重的经济损失和人员伤亡。本研究基于Winkler线性理论,建立管-土相互作用力学模型,应用ABAQUS有限元分析软件得到悬空管道上的应力分布,分析得出管道达到屈服阶段时管道的悬空长度。计算结果表明:该材质管道在悬空长度达到160 m时,接近于屈服阶段。

悬空管道的安全性评估

土壤滑坡或土壤冲蚀造成一段埋地管道成为悬空。管道悬空严重影响埋地输油管道的安全运行。基于双参数模型地基理论,把悬空管道设定为弹性地基梁,考虑轴向力、内压、内流、外流和土壤刚度系数等因素的作用,建立管道与土壤相互作用的力学模型,计算悬空管道的临界长度评估其安全性。根据管道边界条件和失效模式的不同,分析上述各因素对悬空管道临界长度的影响,进而对悬空管道的屈服失效、屈曲失效、共振和疲劳失效进行安全评估。结论对埋地管道的合理设计、土壤刚度的处理、管道安全性的提高具有工程实际意义。

悬空管道固有频率的计算

在地质灾害作用下，输油管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空。当悬空管道发生弯曲变形时，两端埋地管道要对悬空管道产生影响。利用埋设段和悬空管道的受力平衡条件联立求解出两段管道的弯曲变形，并且讨论了不同土壤刚度和管道轴向力条件下悬空管道振动的固有频率，并和工程上推荐使用的简支梁和两端固支梁的静动态特性进行比较。管道大幅振动或共振是管道破坏的重要原因，准确计算悬空管道的固有频率，对悬空管道的静力分析、振动分析以及输油管道的完整性评价都有非常重要的意义。

浅海竖L型悬空管道三维动力响应分析

海底管道不仅会在平直段出现悬空,膨胀弯管处也会出现悬空,此时水平悬空段与垂直立管段整体呈L型并长期处于波浪海流激励下,波流作用引起的动力响应及疲劳损伤不容忽视。基于向量式有限元(VFIFE)法,考虑三向管土接触作用,建立了考虑往复运动时侧向土抗力位移模型,采用非线性STOKES五阶波模拟了波流联合作用下埕岛水域某竖L型海底悬空管道的动力响应,并对考虑波流联合作用以及底端管卡松动的特殊情况下的动力响应进行了分析,评价其对疲劳寿命的影响。结果表明:对于两端固定的竖L型海底悬空管道,最不利点为管卡处,其次为管土分离点、弯头处以及跨中,共四个潜在危险点,其中,跨中的应力峰值较小;考虑波流联合作用与不考虑波流联合作用差别显著;只有横向约束的管卡在管道最小疲劳寿命方面优于固定管卡;考虑侧向往复运动土体作用理论对管道整体的应力以及疲劳影响较小,但对跨中及管土分离点处的位移影响较大。

海洋悬空管道非线性振动稳定性分析

以海洋悬空管线为研究对象,根据海洋悬空管道的主要特征,将海洋悬空管道简化为两端简支梁力学模型,涡激升力简化为简谐荷载。在考虑管道非线性因素下,建立悬空管道的横向振动方程,并采用谐波平衡法对方程求解,可得出洋流涡激作用下海洋悬空管道横向振动失稳的双尖点突变模型,由此导出悬空管道失稳条件。根据失稳条件分析发现,海洋悬空管长度对稳定性影响起主导作用,并在假定其他条件不变的情况下,分析影响悬空管道稳定性的因素和悬空段临界长度之间的关系。分析结果表明:随着外流流速、管内流流速、管内压强的增加,悬空管道的临界长度减小;随着材料弹性模量、管外直径的增大,悬空段的临界长度增加;其他影响因素相比较而言可以忽略。

海底悬空管道的动力响应问题研究方法

在归纳了国内外学者对海底悬空管道动力响应研究成果的基础上,总结出了关于求解波浪荷载的方法、悬空管道模态分析方法及影响动力效应的主要因素,为海底悬空管道的进一步研究分析和设计施工奠定了基础。