基于Pasternak海床模型的椭圆余弦波浪荷载作用下埋置管线动力响应解析解

通过两阶段分析方法,针对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应进行了探究。基于椭圆余弦波理论,采用Biot固结方程推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管线所受的周期波浪压力;将管线考虑为动力Pasternak海床模型上的Euler-Bernoulli梁,将波浪动荷载施加到管线上获得无限长管线的动力响应偏微分控制方程;利用Fourier变换和Laplace变换并借助卷积定理得到管线挠度、速度、加速度、转角、弯矩和剪力的动力响应解。通过与三维有限元数值算例及既有试验结果对比验证了解析解的正确性与适用性。对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应特性进行了敏感参数分析,结果表明:波浪高度H显著影响了波面形状与海床内波浪力大小,不同浪高下管线转角、弯矩和剪力的变化更明显,而挠度、速度和加速度响应敏感性则较低。

LNG低温复合软管疲劳特性及参数化分析研究

LNG低温复合软管具有强度高、重量轻、柔韧性好等优点,可以满足恶劣海况下LNG的输送需求,但其结构复杂,且面临多种耦合载荷作用下的疲劳失效问题。首先建立了LNG低温复合软管的有限元模型,研究了复合软管在弯曲和内压载荷下的力学响应和弯曲疲劳寿命特性;然后改变螺旋钢丝直径、预紧间距、导程和纤维层数及摩擦系数等参数,对软管的弯曲疲劳寿命进行了参数化分析。结果表明预紧间距、导程和纤维层数对复合软管的疲劳损伤影响显著:预紧间距增大时,复合软管疲劳损伤先增大后减小;导程减小或者层数增加时,复合软管的疲劳损伤会明显减小。摩擦系数对疲劳损伤几乎没有影响。研究成果可为低温复合软管的结构设计提供理论参考。

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。

内孤立波作用下缓波形立管动力特性研究

我国南海活跃着大量内孤立波,严重威胁海洋工程作业的安全。本文采用向量式有限元方法分析内孤立波作用下深海缓波形钢悬链立管动力特性,建立考虑触地段土反力和内孤立波载荷的缓波形钢悬链立管动力模型,根据mKdV方程求解内孤立波载荷,基于向量式有限元梁单元编制Fortran计算程序。分析不同入射角内孤立波作用下立管的位移极值、张力及弯矩变化趋势,并比较缓波形立管与简单钢悬链立管在内孤立波作用下的动力特性。结果表明:内孤立波作用下,缓波形钢悬链立管会有较大的位移响应,特别是顶部悬垂段会有较大的水平位移;缓波形立管比简单钢悬链立管有更显著的张力变化幅值,有更加复杂的弯矩变化趋势。

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。

腐蚀海洋立管的涡激振动响应分析

海水对深海服役输油立管的腐蚀作用会不断改变立管表面形态和动力特性,从而显著影响立管涡激振动响应。因此,基于X70管线钢模拟深海环境腐蚀试验结果,分析了不同腐蚀率的立管涡激振动响应。首先,对X70管线钢标准挂片进行模拟深海环境腐蚀试验,获得材料腐蚀速率和壁厚损伤程度时变模型;然后,根据相同腐蚀速率下单位面积腐蚀损失质量一定的等效原则,建立表征不同腐蚀率立管的有限元模型;最后,采用嵌套网格技术实现计算域内网格动态更新来考虑立管与流场的流固耦合,分析腐蚀立管的横流向和顺流向涡激振动响应幅值以及锁定区间。研究表明,当腐蚀率较小时,腐蚀对立管涡激振动呈现出较强抑制作用,最大横流向和顺流向振幅分别是光滑立管的53.40%和16.70%,且提前进入并推后离开锁定区间。但是,随着腐蚀率增加,立管涡激振动响应急剧增加,在腐蚀率为4.07%~22.74%内,腐蚀立管涡激振动响应幅值都大于光滑立管,最大横流向和顺流向振幅分别是光滑立管的1.16倍和1.17倍,进入锁定区间与光滑立管基本相同,但推后离开锁定区间。当腐蚀率为28.09%时,腐蚀立管涡激振动响应有所降低,但横流向振幅仍大于光滑立管,进入锁定区间与光滑立管基本相同,但较大幅度提前离开锁定区间。

基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。

规则波作用下悬跨海缆垂向动力响应试验研究

为探究不同规则波要素下悬跨海缆垂向动力响应的变化规律,本文开展了波浪作用下海缆振动模型试验。基于水弹性相似原理制作海缆模型,改变试验波高以及波周期,并引入Morison方程描述海缆所受垂向力。试验结果表明:波浪作用下海缆的振动频率以波浪频率为主,同时伴随着海缆表面弱涡脱落活动产生的波浪多倍频;波高的增大使得海缆周围水质点水平运动速度增大,导致漩涡脱落所引发的升力增大,进而垂向力增大;波周期的减小使得水质点垂向运动速度增加,海缆所受垂向波浪力增强,进而垂向力增大;海缆自振存在约2.8 N的临界垂向力,低于临界垂向力时,海缆未产生自振,大于临界垂向力时,波浪动力作用增强,海缆出现波浪周期的间歇性自振,垂向力增大,应变幅值显著增大。

基于压差法的波向测量方法初步研究

为解决波向测量误差大的问题,本文首次提出了一种基于压差法的波向测量新技术,根据海浪的运动变化规律,在这里巧妙地引进了压差技术,通过对放置在水下一个圆环上多个压力传感器同圆心点上的压差变化进行分析可以得出,圆环上不同方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值及相位是随波浪方向变化而变化的,对圆环上不同方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值进行分析,找出变化规律与波向的关系,以此得出真实的波向分布。本文通过波浪水池实验验证了该方法的可行性,并通过对实验数据的解析初步得出了压差变化规律与波向的变换关系。

模块化浮动平台非线性动力学响应特性研究

非线性耦合运动引起的共振效应是海洋平台设计中需重要考虑的因素,本文针对模块化浮动平台的非线性动力学响应特性开展研究。首先,考虑浮体运动对其恢复力系数和浮力的影响,建立单个箱式浮体的非线性耦合动力学模型,并开展水槽实验验证该数值模型的可靠性。其次,基于刚性模块柔性连接器(RMFC)模型,构建模块化浮动平台的非线性广义动力学模型。最后,采用通过实验验证的数值模型对两模块浮动平台开展动力学响应特性分析,揭示平台失稳发生的机理,探索失稳问题的解决方案。研究结果表明:合理设置连接器的横向或垂向刚度能够有效解决由于参数共振而引发的横摇失稳问题。

波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散研究

由于氢气密度低,泄漏后的掺氢天然气在海洋波流作用下的浮升扩散行为有别于纯天然气,其泄漏扩散规律有待明晰。利用计算流体力学方法数值模拟了波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散的过程,结果表明气体泄漏的过程可分为泄漏初期、向上浮升以及横向迁移3个阶段。当掺氢比φ_(H2)<50%时,氢气泡的运动轨迹受天然气泡的影响显著。气体浮升高度和扩散直径的变化与时间成正相关,且随着掺氢比的增大,泄漏气体到达液面所需的时间延长。天然气泡和氢气泡直径在上升的过程中都逐渐增大,两者的浮升速度随浮升高度的增加先增大后减小,天然气泡的浮升速度衰减更快。氢气泡直径随掺氢量的增加而增大,天然气泡直径随掺氢量的增大而减小,两者的上升速度随着掺氢量的增大都表现出先增大后减小的趋势,且氢气泡的上升速度大于天然气泡的上升速度。波长和海流流速越大,泄漏气体的扩散直径越大。

层间摩擦系数对非黏结柔性管抗拉铠装层轴压屈曲失效模式的影响研究

在柔性管运输、铺设安装和服役过程中,由于其抗拉铠装层钢带为柔性细长螺旋结构,当外部载荷超过临界值时,抗拉铠装层钢带容易发生屈曲失效。考虑非线性材料、几何大变形、层间接触和摩擦等非线性效应的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了63.5mm典型非黏结柔性管8层完整结构模型,研究了在抗拉铠装层不同层间摩擦系数的情况下,非黏结柔性管在轴向压缩载荷作用下的力学性能和屈曲失效模式。研究结果表明,层间摩擦系数对非黏结柔性管的抗压刚度和抗拉铠装层屈曲失效模式有较大影响,层间摩擦系数以0.1和0.2为分界点,抗压刚度和屈曲失效模式均呈现出“三段式”变化规律。研究成果可为海洋非黏结柔性管的结构设计和屈曲失效评估提供技术参考。

不同覆盖物清理状态下海底电缆打捞受力仿真

该文通过对海缆深浅水打捞过程机理的分析,确定覆盖物对打捞过程存在一定影响。通过OrcaFlex考虑水动力建立打捞过程模型,研究覆盖物厚度与覆盖物位置对海缆打捞过程中张力及曲率的影响。研究发现,覆盖段被打捞时,海缆张力会出现明显的波动;打捞过程覆盖段海缆曲率极值明显增大。随着覆盖物厚度的增加,覆盖段海缆曲率极值逐渐增大,海缆的张力波动也更加明显。覆盖物只对覆盖段曲率极值有明显影响;当吊点处覆盖物未完全清理时海缆易发生弯曲失效,远离吊点处的覆盖物对打捞过程海缆沿缆曲率极值影响不大。在实际工况下可进行针对性工作和保护,降低工作量并提高打捞效率,防止电缆在打捞过程中受到二次破坏。

船艏装载原油外输软管动力影响因素分析

针对船艏装载原油外输软管安全作业问题,进行软管动力响应影响因素分析。基于集中质量法,建立船艏外输漂浮软管与穿梭油轮和FPSO的整体耦合动力分析模型,分析影响软管受力的影响因素,在此基础上确定软管受力最小的方案,并给出软管安全作业的环境工况。计算结果表明,在作业工况下设计漂浮软管管串长度为170.6 m,FPSO与穿梭油轮的距离为80 m,此时软管的有效张力最小。提出软管的极限作业工况范围为流速1.1 m/s,浪高7 m。研究提出的软管外输方案可为船艏外输漂浮软管设计提供参考。

海底电缆液压剪切系统设计

在海底电缆抢修任务中,针对多层海底脐带缆的切割需求,提出一种基于水下机器人作业的水下液压剪切机构。结合海底脐带缆多层复合及金属绞线的特殊结构建立剪切失效模型,并对水下液压剪的切割机构进行设计。运用Abaqus软件分析切割过程中脐带缆的力学响应,对脐带缆逐层连续变化的力学特性进行研究,提出海底脐带缆切割需要满足的剪切力及水下液压剪机构的主要参数。

海洋纤维增强热塑性立管极限承载拉力预测方法

海洋新型纤维增强热塑性立管因其可盘卷、耐腐蚀、耐疲劳和轻质化等优点,在深水油气开发中应用前景十分广阔。热塑性立管具有复合材料的各向异性、受力耦合效应及复杂的本构关系,且承受浮体运动和复杂海洋环境载荷,其失效模式尚未明确。针对轴对称载荷作用下纤维增强热塑性立管极限承载力问题,进行热塑性管稳态热传导和热应力的理论推导,求解了稳态温度和应力分布,首次给出了在任意温度载荷作用下管体径向位移的解析解,并直接求解其径向、轴向、环向和剪切应力。采用各向同性层Von Mises和各向异性层最大应力(Max Stress)准则或Tsai-Hill准则判定热塑性管的失效,基于应力分布、失效准则和二分法计算了热塑性管的极限载荷。温度载荷、纤维铺设角度和径厚比对管道的应力分布影响显著。不同温度载荷会改变失效指数沿径向的变化趋势,增大轴向拉力将增大热塑性管的失效指数,选用不同的失效准则在管体失效判定上存在一定的差异。热塑性管温度越低、纤维铺设角越小及径厚比越大,管道对轴向拉伸载荷的承载能力越强。

近十年大洋科学钻探进展与未来重点发展方向

1过去十年进展。大洋科学钻探计划实施五十余年来,获得了大量岩心和海量观测数据,在固体地球和地球动力学、气候和环境演化、深部生物圈等领域取得了一系列重要认识和成果,为人类认识地球演化和预测未来变化提供了关键科学支持。国际大洋发现计划(IODP)实施十年来。

均匀流作用下柔性悬垂管涡激振动响应特性试验研究

温差能发电是近年海洋可再生能源研究的热点,悬垂取水管作为温差发电装置中提取深层冷海水的关键结构,其涡激振动响应特性尚不明确。本文开展了均匀流下悬垂管的涡激振动水池模型试验,利用光纤光栅应变传感器测量涡激振动应变响应,通过模态分析法、小波变换等数据处理方法研究悬垂管的幅值和频率特征。分析试验结果发现:均匀流作用下,悬垂管的涡激振动位移响应最大幅值主要位于悬垂管底部;柔性悬挂立管IL(in-line)和CF(cross-flow)主导频率基本满足二倍频关系,但是在模态转换的流速工况下会出现IL和CF方向主导频率相同的现象,同时伴随着明显的“行波”、“多频响应”以及“时间共享”特征;处理得到背景洋流作用下悬垂管的CF和IL方向斯特哈尔数分别为0.15和0.30,略小于以往两端铰支柔性立管试验结果,该值将为悬垂输水管涡激振动预报研究提供参数输入。

双向剪切流作用下柔性立管平均阻力特性研究

中国南海存在由内孤立波诱发形成的特殊双向剪切流场.开展了双向剪切流场下的涡激振动状态柔性立管的阻力特性实验研究,基于模态分析法以及张力梁弯曲理论处理实验测量应变时历得到了立管模型的平均阻力,分析了双向剪切流下的柔性立管初始位移、平均阻力以及平均阻力系数特性,确证了双向剪切流具有与线性剪切流相当的阻力系数放大效果.同时发现了双向剪切流下柔性立管独特的中部剪力极值特性,提出剪力系数并拟合得到了双向剪切流下柔性立管中部剪力极值经验公式,该公式将为南海立管设计提供强度校核外载荷输入.

海底电缆覆盖物清理的移动射流过程仿真分析

在实际工况中,高压喷嘴存在横向移动的速度,使得射流对土体的冲埋深度难以预测,导致海缆表面覆盖物清理不完全。针对此问题,建立了优化后的流场与冲埋深度预测理论模型,利用数值仿真对模型进行了验证。首先,建立了一种喷嘴流场优化模型,阐述了冲埋深度的预测方法;其次,建立了水射流破土数值仿真模型,选取射流压强、喷嘴直径、喷嘴横移速度以及土壤剪切强度4种控制参数,分析了不同参数对冲埋深度的影响。结果表明,随着射流压强、喷嘴直径的增大,冲坑深度逐渐增大;随着喷嘴横移速度和土体剪切强度的增加,冲坑深度逐渐减小。最后,理论结果和仿真结果进行对比,两者误差在允许范围之内。该模型可在一定程度上解决冲埋深度难以预测的问题,可为工程应用提供指导。