基于结构应力的海底管道悬跨段涡激振动的焊缝疲劳研究

针对涡激响应条件下海底悬跨管道传统焊接疲劳的局限性,本文根据实际海洋工况条件,建立全尺寸海底悬跨管道含焊缝的“Beam-shell”有限元耦合模型,并将网格不敏感的结构应力法与涡激振动理论模型相结合,对相关的疲劳寿命公式拓展,提出适用于含焊缝的悬跨管道涡激振动的疲劳评价模型,使其具有海洋工程特色。结果表明:涡激振动导致的焊缝疲劳不仅取决于流速引起的涡激振动主导区间,而且还与海流流速的分布概率密切相关。在该小流速主导的海域中,由于顺流向涡激振动启动流速较低,更易被激发多模态的涡激振动,反而较横流向涡激振动更危险;横流向涡激振动虽然更剧烈,但启动流速较高,小流速的海况很难激发其响应。另外,该涡激响应的焊接疲劳评价模型具有很好的网格不敏感性,且主S-N曲线不存在选取的主观性,其评价结果可靠。因此,在工程上,可结合该网格不敏感的疲劳评价模型,提高海底管道设计的安全性和可靠性。

基于多项式逼近的管道悬跨响应谱研究

该文详细介绍了采用线性化法和多项式逼近法求解非线性波浪力谱密度的过程。在此基础上推导出波流联合作用和忽略海流影响作用这两种条件下,管道悬跨结构的流向及垂向响应谱密度。最后,文中以某一海底管线为例,对比采用这两种方法得到的结果。

高温高压管道悬跨段竖向屈曲数值模拟研究

管道悬跨是海底管道的常见工况,在油温和油压作用下,管道会发生竖向整体屈曲.竖向屈曲如果不加以预防或控制将导致管道发生破坏,但是针对悬跨管道竖向屈曲的研究较少.本文利用ABAQUS软件建立了悬跨管道竖向屈曲有限元模型,对悬跨管道的竖向屈曲过程进行了分析,并通过参数分析研究了悬跨长度、管道直径以及管道重量等几个重要参数对其屈曲位移和屈曲轴力的影响.结果表明,悬跨管道同样存在竖向屈曲风险;管道直径和悬跨长度是对其竖向屈曲最重要的两个影响因子;大管道直径以及小悬跨长度会导致跳跃屈曲,工程中应避免出现;小管道直径以及大悬跨长度会产生平滑的变形过程,加以控制,可以保证管道安全.

海底管道悬跨段振动特性及允许悬空长度研究

分析海底管道悬跨段受力,推导出管道振动微分方程,进而得到管道动力特性方程,求得管道的自振频率。为防止管道发生横向涡激共振现象,以漩涡发放频率小于0.7倍的管道固有频率和约化速度为控制条件,确定管道允许悬空长度。实例计算分析管外来流速度、轴向力和管道外形尺寸等因素对管道固有频率和允许跨长的影响,给出一般允许悬空长度的确定方法。

基于磁弹效应的悬跨管道应力检测方法研究

为了实现管道悬跨检测,并适应现场管道内检测器的快速移动状态以及对应力传感器阵列低功耗的要求,本文提出了一种弱交流磁化条件下基于磁弹效应的管壁应力检测方法。首先通过有限元仿真研究了管道悬跨的受力特性并确定了应力传感器部署方案。其次建立了阻抗法钢材应力测量模型,设计并制作了应力传感器,最后开展了实验验证。结果表明管道顶部和底部的轴向应力可以灵敏地表征管道悬跨状态;弹性应力变化范围为0~50 MPa时,传感器线圈阻抗与应力呈负线性单调关系,且灵敏度系数的线性拟合优度大于0.92;灵敏度随着激励频率增加而增加,当激励频率在30 kHz时,平均灵敏度系数为-0.018Ω/MPa;单个传感器功耗不超过0.1 mW。

地震时海底悬跨管道动力特性试验研究

铺设在地震活跃区域的海底管道可能在地震荷载作用下发生破坏。利用水下振动台研究了海底悬跨管线在地震作用下的动力反应。试验中考虑了地震波输入方向、管道端部支撑情况、悬跨高度、悬跨长度和管内是否有水等因素。完成了这些因素组合的 12 0组试验 ,得到海底悬跨管道动力响应特性。试验结果表明水中管道与陆地悬空管道的动力反应存在明显差别 ;悬跨长度是控制管道反应的关键 ,水平地震输入对管道反应起控制作用 。

海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

在地震活动区铺设海底管道必须考虑地震荷载的作用。通过在水下振动台模拟海底悬跨管道完成的动力模型试验,根据试验结果分析了管道的悬跨长度、悬跨高度、支撑情况和管内运输不同物质等因素对海底悬跨管道的动力反应的影响。并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好。

考虑边界土体性质悬跨管道振动特性分析

海底管道是海洋油气传输的生命线,其悬跨段的固有频率是决定动力响应状态的关键.建立了考虑边界土体性质的悬跨管道计算模型,通过土弹簧动刚度的变化描述海床土性质的变异.在此基础上进行悬跨管道的固有振动特性分析,分别讨论了边界土体性质、外部环境荷载、管道轴向力以及悬跨长度等变化对管道固有频率的影响.结果显示:跨长对管道固有频率影响最为明显,且对于不同的影响因素,悬跨管道的频率呈现不同的变化特征.

水下悬跨管道动力响应分析

水下悬跨输流管道在内外流作用下引起涡流振动和波激振动,对于地震较频繁地区,还将受到地震位移和加速度及地震引起的动水压力的作用,确保水下悬跨管道在各种冲击截荷作用下的安全,是管道可靠性设计及安全运行评估的重要内容。以水下管道悬跨段为研究对象,考虑内外流体与管道间的流固耦合作用,将管跨处理成等截面的直梁模型,两端入土端的约束等效为弹性支承,采用模态叠加法对其进行动态响应研究,通过算例分析了涡激频率、地震频率和管外流速对管跨振动响应特性的影响。从计算结果看出,跨长、管径对冲击的动态响应有着重要影响。本文分析方法对水下管跨的动态设计和可靠性分析评估具有参考价值。

悬跨段海洋管道非线性自由振动分析

根据有限变形理论，大变形管道的运动可视为在静平衡位置附近的小振幅运动． 在已知铺设中管道静平衡位置的基础上，利用样条函数配点法研究了管道面内和面外的非线性自由振动；发现管道自由振动频率随张力增大而减小，随水深增加而增大．

海底悬跨输流管道固有特性的DQ解法

研究在复杂的海洋环境和管内流体的耦合作用下,水下管跨振动的固有特性。将水下管跨模拟成两端受土弹簧支承和约束的一般支承输流管道,综合考虑管内外流体和管截面轴向力对管跨固有特性的影响,采用求解边值/初值问题的微分求积法(DQ法)分析其固有特性,建立了微分求积法的模拟方程和边界条件。数值仿真分析结果表明,管跨固有频率随两端入土端土弹簧刚度系数和管截面轴向拉力的增加而增大,随管内流体流速和压强及管截面轴向压力的增加而减小。本文所建立的模型更接近工程实际,DQ法用于水下管跨的工程设计和分析是可行的。

高雷诺数下海底悬跨管道绕流数值模拟

海底悬跨管道所处工作环境恶劣,失效形式多样,涡激振动是导致其疲劳破坏的重要原因。为研究不同悬跨间隙比和海底流速对悬跨管道涡激振动强度的影响规律,利用Fluent软件进行了实管径高雷诺数下的二维绕流数值模拟,得到涡旋脱落形态,升力和阻力系数变化曲线。结果表明:海底悬跨管道的升力系数幅值和阻力系数均值随间隙比增大而减小,最后趋于稳定。在小间隙比情况下会出现因管道底部流速增大引起管道两侧升力极值不相等的现象;随海底流速的增加,升力系数幅值和阻力系数均值呈先增后减的趋势,规律与常规圆柱绕流一致;升力系数频率随速度增加而增大,受间隙比的影响较小。工程实际中,海底管道的铺设要尽量避免海流流速高和悬跨间距大的水域,对危险悬跨区段应设置涡激抑制装置。

考虑几何非线性的海底悬跨管道疲劳可靠性分析方法

疲劳可靠性是海底悬跨管道安全性分析的一个重要组成部分。考虑海底悬跨管道的几何非线性特征,建立了悬跨管道疲劳可靠性分析方法。该方法结合模态分析,首先把系统隐式的非线性项转化为由模态坐标高次组合表示的显式非线性项,在此基础上引入虚拟激励法,建立结构在随机流力作用下的等效线性化系统,从而确定结构非线性随机响应,在此基础上进一步分析悬跨管道的疲劳可靠性。通过对某一海底管道的分析结果,表明该方法具有较好的计算精度和较快的计算速度。同时分析了不同悬跨长度对计算结果的影响,分析结果表明在管道悬跨长度较小时忽略几何非线性因素对结果影响很小,当悬跨长度较大时,忽略结构几何非线性的影响将会产生显著误差。

洪水中悬跨管道加装防护索的力学行为及布索方案

埋设在河流中的油气管道在洪水的冲刷作用下,容易漂浮于洪水中而形成悬跨,洪水对裸露管道的冲击作用很大,管道易发生显著弯曲变形,其中部分管道由于强烈的洪水冲击而有可能断裂,进而造成严重的后果。为了给悬跨管道在洪水载荷作用下的安全防护提供参考,根据洪水中漂浮管道的受力特点,建立了悬跨管道加装防护索的静力学线性分析模型和非线性有限元模型,通过算例分析了不同管道悬跨长度、洪水流速下防护索的加装角度和位置对管道变形与应力的影响,进而提出了一种临时的水工保护措施:①管道受洪水冲刷作用形成悬跨后,在管道受冲击一侧加装两条对称的临时防护索;②防护索最优的加装位置为管道悬跨长度的1/4处,其方向与管道夹角为60°。最后以API标准X70钢(?)1 016 mm天然气管道悬跨不同跨度为例,探讨了防护索最小许用截面积的影响因素和确定方法。结论认为:悬跨管道加装防护索后显著降低了管道的应力水平,为悬跨管道在洪水载荷作用下的安全防护及现场抢修工程提供了解决方案。

非线性管土耦合条件下悬跨管道涡激振动响应时域预报

海底悬跨管道与海床耦合呈现高度非线性,使得发展一种时域预报方法成为需要。文章运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散,并应用Facchinetti等改进的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力,发展了一种悬跨管道—海床—流场多场耦合的非线性时域预报方法。在合理选取尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上,时域预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应。研究结果表明,基于尾流振子的时域预报方法能够合理地描述非线性管土耦合边界下VIV响应;非线性边界条件下,锁定产生的最大响应幅值低于线性结果。

考虑跨肩管土作用的悬跨管道涡激振动特性研究

海底悬跨管道涡激振动是一个复杂的流场-管道结构-跨肩土体耦合问题,其发生机理和振动特性十分复杂,特别是两端跨肩处管土作用对涡激振动的影响有待深入讨论。为此,文章引入了P-y曲线描绘跨肩处管土耦合作用,提出了基于管道位移和速度的新非线性土体弹簧模型,根据能量平衡原理计算土体阻尼,采用尾流振子模型模拟悬跨管段流固耦合作用,建立了考虑流—固—土多场耦合作用的海底悬跨管道涡激振动预报模型,并重点研究了考虑跨肩管土作用时,悬跨管道涡激振动的诸多特性。

线弹性土壤中埋设悬跨管道的屈曲分析

建立了两端埋设在线弹性土壤中的悬跨管道的屈曲方程。利用细长梁小挠度理论,建立了含有轴向压力的悬跨段和埋设段管道的弯曲控制方程。基于埋设段管道的刚度和变形特性,建立了符合悬跨段管道实际情况的边界条件。导出了悬跨段管道对称屈曲和反对称屈曲的屈曲载荷方程,通过数值求解给出了不同土壤刚度系数条件下悬跨段管道屈曲载荷。研究表明:悬跨段管道的屈曲载荷系数依赖于土壤刚度系数,简支梁模型只在特定的土壤刚度系数下适用于悬跨管道;在土壤刚度系数很大时,两端固支梁模型才能反映悬跨管道的屈曲特性。建议采用该方法进行埋设悬跨管道的屈曲分析。

地震对海底悬跨管道动水力作用的实验研究

利用水下地震模拟系统,开展了刚性管道在地震作用下的水下模型实验,量测了管道周围流场的变化和管道表面的动水压力。基于Morison方程建立了地震作用下海底悬跨管道的动水作用力模型,按最小二乘原理得出管道的拖曳力系数CD和惯性力系数CM。通过对实测数据分析得出,雷诺数Re数和Kc数是影响管道受力的两个主要因素。分别对CD和CM随Re和Kc的变化趋势进行了拟合,得到CD和CM的定量表达公式。本次试验工况下,水深和悬跨高度对管道的受力影响不明显。

地震作用下海底悬跨管道水动力计算模型

在不同方向的地震动输入下海底悬跨管道的动力响应存在差别.基于Wake模型,提出了三维地震输入下的海底悬跨管道的水动力模型,并推导了有限元控制方程.建立有限元离散模型模拟模型试验工况,进行了正弦波和El Centro模拟地震波输入下海底悬跨管道的动力分析.通过数值计算和模型试验的结果比较可以看出,考虑地震动输入方向影响的Wake模型能够应用于海底悬跨管道的地震响应分析,其计算结果与试验结果符合得较好.

悬跨海底管道的声学检测方法和成因机制分析

为了提高检测过程中对悬空海底管道的辨识能力,基于调查数据,系统分析总结了海底管道悬跨的多种声学检测方法,如侧扫声呐、单波束测深系统、浅地层剖面系统及多波束测深系统等,比较了各种检测方法的应用条件,分析了造成海底管道悬跨的多种成因机制,并通过数值计算演示了管道周围局部冲刷中的孔道冲刷的动力过程。