海底管线防冲刷技术试验研究_赵冬岩
含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟
含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟赵冬岩;余建星;岳志勇;段梦兰【摘要】针对几种常见的缺陷形式,利用有限元软件进行屈曲稳定性分析,并对海底管道整体腐蚀和局部腐蚀两类缺陷进行了仿真计算,拟合得到了较为简单的含缺陷海底管道临界我荷的近似计算公式,可供工程设计人员进行相关设计和评估时参考使用,同时也为制定新的含缺陷海底管道屈曲稳定性设计规范提供了参考依据.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2009(042)012【总页数】5页(P1067-1071)【关键词】海底管道;屈曲;初始缺陷;临界载荷【作者】赵冬岩;余建星;岳志勇;段梦兰【作者单位】天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津,300072;海洋石油工程股份有限公司,天津,300451;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津,300072;北京大学力学与工程科学系,北京,100871;中国石油大学(北京)海洋油气研究中心,北京,102249【正文语种】中文【中图分类】P751海底管道在工作过程中，所受的载荷主要包括由于管道内部原油温度较高引起的温度应力、平铺在海底的裸露管道受到的静水压力、埋设在海底的管道受到的土壤压力、输油时候的内压力、自重以及端部连接处其他海底管道施加的轴向压力等，这些载荷又可以简化为轴向压力和径向内外压力．根据工程中的实践经验，海底管道的屈曲多为轴向或径向受压导致的屈曲．因此对海底管道屈曲稳定性问题，只需简化为两类力学模型考虑：①轴向受压圆柱壳的屈曲模型；②径向外压作用下圆柱壳的屈曲模型．文献[1-3]指出在轴向对称载荷作用下的圆柱壳，其动力屈曲失稳荷载和静力屈曲失稳荷载大小基本相同．因此在分析管道屈曲失稳时，一般只需考虑静力屈曲．关于圆柱壳在轴向或径向压力作用下的屈曲问题，相关的研究已经很多，得到了一系列圆柱壳稳定性的经典结果．依据小挠度屈曲理论得到的这些结果，有些与实验符合很好(如受径向压力作用下的圆柱壳)，也有一些与实验值出现了较大的差异(如受轴向压力作用的圆柱壳)，早期实验值大部分在理论值的1/2～1/5之间．为了解释这种现象，前人从理论与实验两方面进行了探索，提出了非线性大挠度屈曲理论[4-5]和前屈曲一致性理论[6]，并指出初始缺陷是导致实验结果与经典理论解存在差异的主要因素．由于海底管道在制造和使用过程中不可避免地会出现缺陷，例如：制造精度引起的管线截面的不圆度和不直度；由于海水、输送介质的腐蚀，造成海底管道局部管段壁厚变薄；拖网渔船渔具和坠落物的碰撞(如锚砸)等机械性损伤．因此在考虑海底管道的屈曲问题时，应考虑管道缺陷的影响．上述缺陷可以分为几何型缺陷(如截面不圆等)和体积型缺陷(如腐蚀引起的局部管段和局部位置壁厚变薄等)两大类．其中几何型缺陷的问题在文献[7-9] 中均有论述，本文不再详述．但体积型缺陷由于考虑局部质量损失，目前尚无很好的解决办法．工程上使用的海底管道屈曲稳定性的设计方法，仍然是参照完好管道的经典理论解，含缺陷的海底管道屈曲稳定性还没有海底管道工程界普遍认可的方法．笔者针对海底管道的局部管段变薄、局部位置变薄等体积型缺陷，利用大型有限元软件Ansys进行建模计算．由于常用的海底管道，其截面半径是壁厚的10倍以上，因此在 Ansys计算中可以当作薄壳结构来处理．1.1 完好圆柱壳稳定性的若干经典结果如图1所示建立柱坐标系统，取圆柱壳的轴向为x方向，壳体横截面的环向为θ方向，径向为z方向．图中：a为圆柱壳横截面半径，m；h为圆柱壳壁厚，m；l 为圆柱壳长度，m．由于海底管道所受的屈曲载荷主要为轴压或径向外压作用，因此只考虑圆柱壳受轴压和径向外压作用两种情况．对完好圆柱壳模型，考虑小挠度屈曲问题，由线性屈曲理论可以得到圆柱壳在基本载荷作用下的临界载荷值[10-11]．对端部简支圆柱壳受轴压作用情况，临界载荷的经典理论解为式中：E为圆柱壳材料弹性模量；ν为泊松比，无量纲．圆柱壳屈曲失稳时有轴对称屈曲和非轴对称屈曲2种形式，且2种屈曲形式的临界载荷是相同的，实际观察到的多为非轴对称屈曲．根据小挠度理论求得的屈曲临界载荷σcr又称为经典线性临界载荷，这里注意到临界载荷与壳体长度无关，而实验却指出，临界载荷是随管长l的增加而降低的[12]．另外式(1)对短壳(管长小于管线截面半径的圆柱壳为短壳，其余的则为中长壳)不适用．对端部简支圆柱壳受径向外压力作用的情况，由唐奈尔(Donnell)简化模型得到的临界载荷为1.2 完好管道稳定性数值模拟分析对完好管道情况，分别采用 Ansys软件中的特征值屈曲分析方法和非线性屈曲分析方法求解管道的屈曲临界载荷，将计算结果与经典理论解比较，可以求得无量纲临界载荷．海底管道参数取自某实际工程，其中管外径为0.219,1,m，有效输油内径为0.199,71,m，管线弹性模量为2.03×1011Pa，钢管密度为7.8×103kg/m3. 管道可以看作圆柱壳模型，用壳单元进行整体的有限元模拟，对局部损伤位置采用网格更细的体单元，边界条件为两端简支边条件，损伤缺陷的描述参见第2.1和2.2节．1)轴向压力作用圆柱壳受力模型如图2所示．设由 Ansys中的特征值方法求得的临界载荷为σ，非线性方法求得的临界载荷为σ1．与经典线性理论得到的临界载荷σcr相比，误差分别为，计算结果如表1所示．可以看到，经典理论解偏大，这与别人的实验结果是一致的．另外，在 Ansys计算中使用非线性方法比特征值方法得到的临界载荷更小，这是因为使用非线性方法计算临界载荷时，为了诱使管线发生屈曲，而给管线施加了与其屈曲模态形状一致的初始位移缺陷(位移缺陷大小约为特征值屈曲变形分析中求得的位移的0.002倍)缘故，说明临界载荷对初始缺陷是比较敏感的．经典理论解得到的临界载荷与管长没有关系，而Ansys计算结果指出，随着管长增加，临界载荷略有降低．例如取管长la= 时的临界载荷为基值，将管长增大，分别求得相应的临界载荷，并与基值对比，得到无量纲的临界载荷随管长变化的关系曲线，如图3所示，这点与实验一致．求得管道梁型屈曲的临界应力已经小于壳型屈曲的临界应力．因此，当管道较长时，不仅要考虑管道壳型屈曲，还要考虑管线梁型屈曲．由于在海底管道工程中，壳型屈曲的危害比梁型屈曲的危害大，因此主要研究管道壳型屈曲问题，而未考虑长管线的梁型失稳．2)径向压力作用圆柱壳受力模型如图4所示．设由 Ansys中的特征值方法求得的临界载荷为q，非线性方法求得的临界载荷为 q1，与经典线性理论得到的临界载荷 qcr的误差分别为和计算结果如表1所示．由 Ansys中特征值屈曲分析方法求得的临界载荷同经典理论解很接近，实验结果也表明径向外压作用下的圆柱壳，其经典理论解误差较小．但注意到使用 Ansys中的非线性方法得到的结果比经典理论解小很多，这也是因为在使用 Ansys软件计算时，已经考虑了初始缺陷影响的缘故．从前面的分析可以看到，使用非线性屈曲分析方法得到的临界载荷值比较小，在使用时偏安全．对于实际结构求解屈曲应力时，为安全起见，建议使用非线性方法求解．但在海底管道工程中，如果分别对每个管道建立力学模型求解，则会非常麻烦．工程上目前进行海底管道屈曲稳定性设计时，一般采用经典临界载荷乘以安全系数的方法，这样处理既保证了安全，又可以使计算过程简单．对含缺陷的海底管道问题，目前还没有合适的求解临界载荷值的方法．本文针对几种常见缺陷形式，利用 Ansys软件中的特征值方法(因为该方法得到的结果和经典理论解比较接近，便于工程应用的延续性)进行仿真计算，求得含缺陷管道的无量纲临界载荷λ(含缺陷管道的临界载荷值与完好管道临界载荷值的比值)与缺陷参数之间的关系，从而为工程上提供较为简单的含缺陷管线临界载荷的近似简单计算公式．2.1 管道整体腐蚀缺陷受到海水及输送介质腐蚀等原因引起的管道某管段壁厚变薄的现象，考虑到腐蚀深度是渐进变化的，腐蚀缺陷一般是轴对称的，因此可以设缺陷形式为此处的μ为壁厚变薄参数，即在坐标x处的管道壁厚为 h + w*( x)，如图5所示，在数值计算时取管线长度l≥ 2a(一般认为当 l ＜ 2a时，计算结果变化较大；当l≥ 2a时得到的结果变化很小，而海底管线一般较长，因此取 l = 2a计算即可)．1)轴向压力作用使用Ansys软件计算，可以求得无量纲的临界载荷值，对应于大小不同的缺陷，可以得到不同的结果，如图6所示，其中λ为无量纲临界载荷(含缺陷圆柱壳临界载荷和完好圆柱壳临界载荷比值)．在0.4μ≤ 时，拟合得到无量纲临界载荷近似为2)径向压力作用使用Ansys软件数值计算，同样可以求得一组无量纲的临界载荷值，如图7所示．在0.4μ≤ 时，拟合得到无量纲临界载荷近似为2.2 管道表面局部损伤缺陷平铺或浅埋在海底表面的管道容易受到拖网渔具、锚砸等机械性损伤或擦伤，从而引起管道表面局部位置壁厚变薄缺陷．在 Ansys建模中，缺陷形状可以看作是圆球与圆柱相交，其相交面在圆柱面上围成的面积，如图8所示．图中b为缺陷宽度，r为圆球半径，缺陷最深处的管道壁厚为(1 − μ)h．1)轴向压力作用取管道长度2l=a，图9中给出了不同缺陷宽度下，无量纲临界载荷λ与壁厚变薄参数μ的关系．从图9可以看到，在缺陷较小时，管道的屈曲临界载荷下降不大，此时管道的屈曲变形是整体变形，当缺陷的宽度和深度都达到一定范围后(如b＞0.5a, μ＞0.4)，管道的屈曲临界载荷迅速降低，此时管道的屈曲变形已不再是整体变形而是缺陷所在位置处发生的局部变形，此类局部屈曲失稳危害很大，在工程应用中应该特别小心此类缺陷．可见，对这种荷载作用下的缺陷，重要的是确定屈曲临界载荷迅速降低时的缺陷的宽度和深度，具体的无量纲临界载荷λ与壁厚变薄参数μ的关系已不重要．数值计算表明，对 b＜0.7a,μ＜0.6的缺陷，管道的屈曲形状为整体变形(管道整体变扁)，并没有出现局部屈曲，因此不会引起临界载荷较大的下降．取b = 0.7a，无量纲临界载荷λ与参数μ的关系如图10所示．2)径向压力作用对 0.7b a= 的缺陷，在0.6μ≤ 时，拟合得到无量纲临界载荷近似为对b＜a0.7的缺陷，其临界应力下降更缓慢．(1)对海底管道整体腐蚀缺陷，轴向压力作用下其临界屈曲载荷近似为径向压力作用下临界屈曲载荷近似为(2)对海底管道局部损伤缺陷，轴向压力下临界屈曲载荷对缺陷不敏感；径向压力下，临界屈曲载荷近似为【相关文献】［1］ Lee L H N，Ariman T，Chen C C. On buckling of buried pipelines by seismic excitation[C]//ASME. Pressure Vessel and Piping. San Francisco，1980：80-C2/PVP-75. ［2］ Chen C C，Ariman T，Lee L H N. Elastic buckling analysis of buried pipelines under seismic loads[C]// ASME. Pressure Vessel and Piping. San Francisco，1980：80-C2/PVP-76. ［3］ Lee L H N，Ariman T，Chen C C. Elastic-plastic buckling of buried pipelines by seismic excitations [J]. International Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engineering，1984，3(4)：168-173.［4］ Timoshenko S P，Gere J M. Theory of Elastic Stability [M]. New York：McGraw-Hill，1961.［5］ Bleich F. Buckling Strength of Metal Structures [M]. New York：McGraw-Hill，1952. ［6］ Vlasov V Z. Thin-walled elastic beams [G]//Office of Technical Services. Israel Program for Scientific Translations. Washington D C：US Department of Commerce，1961：38-46.［7］ Column Research Committee of Japan. Handbook of Structural Stability [M]. Tokyo：Corona Publishing Company Limited，1971.［8］余轩凌. 含缺陷海底石油管道的弹性稳定性分析[D].北京：北京大学力学与工程科学系，2003. Yu Xuanling. The Elastic Stability Analysis of Subsea Pipeline with Imperfections[D]. Beijing：Department of Mechanics and Engineering，Peking University，2003(in Chinese). ［9］岳志勇. 海底输油管线的抗震设计方法与含缺陷管道的稳定性研究[D]. 北京：北京大学力学与工程科学系，2004. Yue Zhiyong. The Anti-Earthquake Design Method of Subsea Pipeline and the Stability Study of Subsea Pipeline with Imperfections[D]. Beijing：Department of Mechanics and Engineering，Peking University，2004(in Chinese).［10］武际可，苏先樾. 弹性系统的稳定性[M]. 北京：科学出版社，1994. Wu Jike，Su Xianyue. The Elastic System Stability[M]. Beijing：Science Press，1994(in Chinese)．［11］周承倜. 薄壳弹塑性稳定性理论 [M]. 北京：国防工业出版社，1979. Zhou Chengti. The Elastic-Plastic Stability Theory of Thin Shell[M]. Beijing：Defense Industry Press，1979 (in Chinese)．［12］吴连元. 板壳稳定性理论 [M]. 武汉：华中理工大学出版社，1996. Wu Lianyuan. The Stability Theory of Plate and Shell [M]. Wuhan：Huazhong University of Science & Technology Press，1996(in Chinese)．。
海底管线冲刷问题研究综述
维普资讯
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８ ・
韩艳等
海 底 管 线 冲 刷 问 题研 究 综 述
２ ０ 年 ８月 ０７
底 管线所受 的波压 力和 升力 ； 高 、 陡 、 波 波 水深 、 埋深 、 土壤 黏稠 系数等 各种 不 同参 数对 波压力 和升力 的影 响 。 围绕管线周 围 ３ 位置 （ 个 沿圆周 每隔 １ ０ ） ２ 。测量 波压 力 ， 现 波压 力 和升 力在 高黏 稠指 数 的土壤 中小 于低 黏 发
附近 冲刷 的影 响进 行 了模 型试 验 ， 步得 到 了冲刷发 生 的临界波 浪条 件及稳 定 后 冲刷 坑 的深度 和 范 围。Ｙ． 初
Ｍ．Ｃ ｉｗ（ ９ ９ １ ９ ） ｈｅ １ ８ 、 ９ ３ ～ 究 了波浪作 用下 ， 研 管道 上安 装阻 流板 （ ｐ ｉ ｒ 对 冲刷 深度 、 Ｓ ｏｌ ） ｅ 幅度 及 冲刷 发展 速度 的影 响 。Ａ．Ｖ．Ｋｕ ｒ ｌ １ ２ ０ ）５ ｍａ ： ．（ ０ ３ Ｅ 研究 了波 浪作用 下 ， ｅａ ３ 黏性土 中管 线周 围的 冲刷 。实验结果 表 明 ， 黏性
的研 究 不 多 ， 以 试 验 研 究 为 主 。 且 ２ １ 室 内试 验 研 究 ．
根据试 验研 究条件 及侧重 点不 同 ， 分为 以下几 类 。 可
２ １ １ 以研 究 波浪单 独作用 下海 底管线 受 冲刷 机理 的试 验 ． ．
大连理 工大学 李玉 成 、 陈兵等 （ ９ ６ 一 针对 波浪作 用下 海 底管 线 上 的升力 、 平力 等 进行 了模 型试 验 １９ ） 一 水 研究 ， 通过试 验分 析波 浪场 中管线周 围 的流场特 性及 其对 管线受 力 的影响 ， 为近海 管线设 计提 供 了必 要 的依 据 。天津大 学秦 崇仁等 （ ９ ５ 利用 波浪 水槽 ， １９ ） 针对 不 同水深 、 同波 要 素 、 同管 径和 泥 沙粒 径 等对 管 道 不 不
深水海底管道铺设技术研究进展
深水海底管道铺设技术研究进展+李志刚, 王琮, 何宁, 赵冬岩摘要：海底管道作为最重要的海洋石油天然气的运输方式，发展速度逐步加快，对于海底管道的铺设方法和主要铺设工具——铺管船，也提出了更高的要求。
本文介绍了目前普遍使用的几种铺管方法以及世界先进的不同类型铺管船的发展和使用情况，并作了比较与讨论。
作者认为我国在铺管技术以及铺管船的研发及应用方面与国外先进水平相比存在相当大的差距，特别是在深海铺管技术方面差距更为明显，应当充分学习消化已有的成功经验，开展相关领域的研究工作。
关键词：深水, 海底管道, 铺管方法, 铺管船An Overview of Deepwater Pipeline Laying TechnologyLI Zhi-gang, WANG Cong, HE Ning, ZHAO Dong-yan,(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tanggu, Tianjin)Abstract: The subsea pipeline, regarded as the most important transportation way of offshore oil and gas, is developing rapidly. Consequently, the pipe laying techniques and vessels are considered as critical and characteristic in its application. In the context, the latest deepwater pipeline laying technologies and the various advanced pipe laying barges are introduced and the corresponding comparison and discussion are presented as well. The authors suggest that China should absorb and digest the internationally advanced pipeline laying techniques and pipe laying facilities to make up for the gap existed in the research and application of pipeline laying technologies, especially in the deepwater field.+国家863计划资助课题(2006AA09A105)。
深水海底管道铺设技术研究进展
深水海底管道铺设技术研究进展+李志刚, 王琮, 何宁, 赵冬岩摘要：海底管道作为最重要的海洋石油天然气的运输方式，发展速度逐步加快，对于海底管道的铺设方法和主要铺设工具——铺管船，也提出了更高的要求。
本文介绍了目前普遍使用的几种铺管方法以及世界先进的不同类型铺管船的发展和使用情况，并作了比较与讨论。
作者认为我国在铺管技术以及铺管船的研发及应用方面与国外先进水平相比存在相当大的差距，特别是在深海铺管技术方面差距更为明显，应当充分学习消化已有的成功经验，开展相关领域的研究工作。
关键词：深水, 海底管道, 铺管方法, 铺管船An Overview of Deepwater Pipeline Laying TechnologyLI Zhi-gang, WANG Cong, HE Ning, ZHAO Dong-yan,(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tanggu, Tianjin)Abstract: The subsea pipeline, regarded as the most important transportation way of offshore oil and gas, is developing rapidly. Consequently, the pipe laying techniques and vessels are considered as critical and characteristic in its application. In the context, the latest deepwater pipeline laying technologies and the various advanced pipe laying barges are introduced and the corresponding comparison and discussion are presented as well. The authors suggest that China should absorb and digest the internationally advanced pipeline laying techniques and pipe laying facilities to make up for the gap existed in the research and application of pipeline laying technologies, especially in the deepwater field.+国家863计划资助课题(2006AA09A105)。
海洋立管的局部冲刷实验
海洋立管的局部冲刷实验
陈兵;邵学;韩丽华;姜萌
【期刊名称】《沈阳工业大学学报》
【年(卷),期】2009(031)006
【摘要】海洋平台立管底部的局部冲刷容易造成海底管道的暴露悬空,在波浪和水流作用下产生疲劳破坏,以往的研究多偏重于海底管道水平段局部冲刷,而对立管底部开始的局部冲刷研究较少.针对这些问题,通过实验室物理模型实验,利用波流水槽对波-流共存以及纯波浪条件下海洋平台立管-桩系统基础周围的局部冲刷进行了研究.通过实验观测立管系统周围海底地形的冲淤变化过程,得到冲刷稳定后的地形形态、各冲深监测点的冲深历时曲线及最大冲刷深度.通过对实测数据的分析,探讨了水深、波高、恒定来流流速、立管-桩系统倾斜角度以及床面泥沙粒径等参数对冲刷形态和最大冲刷深度的影响.
【总页数】9页(P712-720)
【作者】陈兵;邵学;韩丽华;姜萌
【作者单位】大连理工大学,土木水利学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,土木水利学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,土木水利学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,土木水利学院,辽宁大连,116024
【正文语种】中文
【中图分类】U656.6
【相关文献】
1.干涉对海洋立管涡激振动影响实验研究 [J], 李朋;郭海燕;李效民;张永波
2.海洋立管涡激振动模型的实验验证 [J], 郭海燕;牛建杰;李效民;张莉;王飞
3.海洋立管抑振装置优化布置的实验研究 [J], 郭海燕;李相环;张永波;李效民;李朋
4.海洋立管涡激振动实验设计 [J], 娄敏;钱刚
5.三根附属控制杆对海洋立管涡激振动抑制作用实验研究 [J], 宋吉宁;吕林;张建侨;吴浩;唐国强;李广伟;滕斌;赵瑞华
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研究海底管道完整性管理技术
242在整个海洋工程建设和发展的过程中，离不开管道管理，因此这就对于海底管道提出了更高的要求，只有不断提高海底管道的完整性，才能够促进我国海洋事业的发展。
1 海底管道完整性管理技术概述所谓海底管道完整性管理技术又被称之为SPI技术，是指整个管道始终处于不断发展和正常运行的状态，主要涵盖了三个层级的管理：首先，整个海底管道始终处于安全运行服役的状态；其次，整个海底管道施工处于一种可控制的状态；最后，整个海底管道的运行施工是安全可靠的，只有这样才能够确保整个海底管道的安全线和完整性，这三个条件缺一不可，相互结合、相互促进，从而提高整个海底管道的质量和水平。
海底管道完整性原则主要是指在整个过程中需要对其风险进行鉴别和处理分析，然后采用必要的措施进行管理，从而降低控制在一定的范围之内，提高海底管道管理目标的完整性。
与此同时，在整个海底管道管理的过程中，还需要结合系统科学的管理措施和方法，根据国家颁布的相关法律标准进行严格的把控，对其进行隐形风险分析和辨别、初步风险的辨别和识别、完整的系统规划和评价，从而将这些管理进系统的评价和修复，做好整个海底管道的完整性和安全性，做好循环和科学的解决方案，如果在实际管理的过程中，一旦遇到了一个问题之后，可以根据这种完整性直接解决下一个问题，这就是整个海底管道完整性管理技术的分析[1]。
2 海底管道完整性管理联系现阶段我国海底管道完整性管理体系主要是剥壳了三个方面，但是其与其他管道安全管理有十分密切的联系，其具体表现为以下几个方面：首先，在整个海底管道管理的过程中，要在确保其生命周期完整的情况下，确保整个管道功能的完整性，维持其能够正常平稳运转；其次，在整个海底管道运行的状态下要对其所包含的问题进行控制和管理，这样才能够提出相关的修改意见，从而提高整个海底管道完整性确保其能够正常平稳运转；最后，无论是海底管道运行商还是相关单位都要对其安全性进行管理，并且提出相关的改进方法，从而防止事故的出现和发生。
深水海底管道极限承载能力分析_党学博
Analysis on ultimate bearing capacity of deepwater submarine pipe
DANG Xue-bo1 , GONG Shun-feng1 , JIN Wei-liang1 , LI Zhi-gang2 , Z H AO Dong-y an2 , H E Ning2
求 , 主要原因是南海海域复杂的环境条件和油气藏 特性 , 以及我国海洋油气开发工程技术和装备能力 远远不能适应深海开发的需要 .
海底管道是深水油气田开发建设工程的重要组
成部分 , 对海上油气的开发 、生产和产品外输起着关 键性的作用 , 被称为海上油气田的“生命线” .在深水 铺设海底管道 , 不但需要深水铺管船 , 而且需要先进 的深水海底管道铺设技术 .深水海底管道的施工环 境与浅水区相比更为恶劣 , 管道不仅受到静水压力 的作用 , 同时受到轴向拉力和弯曲荷载的作用 , 管道 在铺设时的受力状态是整个施 工服役期最为 不利
道受到弯矩 、轴向拉力和外压组合作用时 , 轴向应力
和环向应力相互影响 , 共同决定了管道的极限承载 能力 .忽略径向应力和横截面内剪切应 力[ 11] , 管道
截面内某点的屈服准则可以简化为
σ2l -2ασl σh +σ2h =σ2y .
(1)
式中 :σl 为管道轴向应力 ;σh 为管道环向应力 ;σy 为
收稿日期 :2008-12-29 .
浙江大学学报(工学版)网址 :w w w .journals .z ju .edu .cn/ eng
基金项目 :国家“ 863” 高技术研究发展计划资助项目(2006A A 09A 105).
作者简介 :党学博(1982 —), 男, 河北邯郸人 , 博士生 , 主要从事海底管道方面的研究.E-mai l :dang xu ebo @yahoo .com .cn
海洋立管的局部冲刷试验研究的开题报告
海洋立管的局部冲刷试验研究的开题报告
一、研究背景和意义
海洋立管在深海油气开发中起着重要作用。
随着近年来深海油气开发的不断深入，海洋立管的使用量逐渐增加，但是我们也发现，长期受海水侵蚀和海底沙石的冲击，
海洋立管可能会发生局部冲刷的情况，从而导致立管的破坏和泄漏。
因此，研究海洋
立管的局部冲刷试验，具有一定的现实意义和应用价值。
二、研究内容和方法
本研究的主要内容是通过实验研究海洋立管的局部冲刷特性和机理。
具体来说，研究方法包括三个方面：首先，选择不同材料的模拟立管进行实验，模拟海水和海底
沙石的冲击情况，观察和记录局部冲刷的过程；其次，通过试验数据的分析和处理，
探究冲刷深度、冲刷面积和冲刷速率对立管破坏的影响；最后，通过计算机模拟和数
值模拟的方法，验证试验结果的准确性和可靠性。
三、预期成果和应用价值
本研究的预期成果主要包括：首先，对海洋立管的局部冲刷特性和机理进行深入探究，为理解海底环境对立管的影响提供科学依据；其次，通过实验数据和计算机模
拟的结果，为设计和制造更加耐久、稳定的海洋立管提供新的和可操作的建议和指导；最后，为深海油气开发的安全和可持续发展做出贡献。
综上所述，本研究对于推动海洋深层资源的开发利用和维护海洋环境安全稳定等方面具有重要意义和应用价值，值得在今后的深海油气开发研究中充分发挥作用。
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式中 :Sr表示斯托哈 (trouhal)数 ;V表示垂直于圆管 构件的水质点速度 , cm/s;D表示管线直径 , cm.
对于管道 , 斯托哈数是雷诺数的函数 , 而雷诺数
则是水流速度 、管道所在地过水断面的水力半径和
水的运动粘度的函数 .对特定平台间的海底管线而
言 , 水流速度 、管道所在地过水断面的水力半径和水
线免受外力冲击损伤 .
图 1 “人工草 ”工作原理 Fig.1 Workingprincipleoffiberreinforcedmats
3 海底管线防冲刷试验
由于海底管线 “人工草 ”固定技术不但可以解 决现有管线埋深不够及裸露 、悬空等问题 , 而且可以 为管线无沟敷设探索一种新的 、更加长期有效的维 护方法 .为了证明其有效性 , 模拟了在砂质 、粉质海 床条件下铺设的管线上使用 “人工草 ”防护的情况 , 对海底管线防护技术进行试验研究 .
Abstract:Seafloorscouringisthemainthreattothesafetyofoperationalsubseapipelines.Fiberreinforcedfixed matswereproposedasakindofimitationvegetationthatprovidesprotection, basedonscourmechanismsaffecting subseapipelinesandtheresultingfundamentalprinciplesofscour-prevention.Anexperimentwasconductedwith anexistingpipelineproject.Itwasshownthatthesuggestedapproachcaneffectivelypreventtheproblemofscour inducedsuspendedspans, providingareferenceforthedesign, constructionandprotectionofsubseapipelines. Keywords:subseapipeline;seabed;scour-prevention;suspendedspan
坏 .在北美墨西哥湾和欧洲北海油气资源开发的过 程中 , 就有不少因海洋冲刷而造成海底管线损坏的 事故发生 .早期国外的研究者还尝试过采用某种水 下粘滞阻尼装置的方式比如防冲刷网 , 来控制海底 结构物的冲刷问题 , 但在具体海上工程应用中 , 由 于水下安装和施工费用等问题无法解决 , 导致这一 设想的实际使用效果并不理想 .
直接裸露在海底的管线 , 在自身重量 、内部流体 以及外部环境荷载作用下将会出现静力及动力响应 问题 , 而管线悬跨的长度又是决定管线静 、动响应程 度的关键因素 [ 9] .为了防止悬空管段冲刷长度过大可 能引起的管线破坏 , 必须采取预防措施 .在采取预防 措施前 , 首先要确定海底管线在水流作用下开始发生
线的长期稳定 .实施这种技术很简便 , 无需大型的施
工机具 , 在水 下能 迅速 安装 , 并可 长期 使用 , 达 到
“一劳永逸 ”, 而且对管线外防腐层无任何损坏 , 也
不会污染周围环境 .
海底管线 “人工草 ”覆盖层工作原理如图 1 所
示 .大量海藻状的聚酯条连接在聚酯编织绳上 , 组成
一个巨大的粗筛孔聚酯编织垫 , 依靠锚固桩固定在
该文提出一种仿生防护措施的 “人工草 ”固定 法 , 试验研究表明该方法可以有效解决海底冲刷造 成的管道悬空问题 .
1 海底管线冲刷机理
在海洋工程中 , 由于波浪 、水流的作用而造成海 洋结构物及其附近海床的泥沙运动 , 即海底冲刷现 象[ 1] .冲刷是因为当地的水流强度 太大 , 水流 带来 的泥沙通量小于水流当地的冲刷外移通量 .根据海 洋冲刷动力学原理分析 , 海底冲刷的形成 , 主要是由 于海洋结构物安装在海底以后 , 打破了原有水下流 场的平衡 , 引起局部水流速度加快 , 形成一定范围内
摘 要 :海底冲刷现象严重威胁着海底管线的安全运营 .该文从海 底管线冲 刷机理入手 , 根据 海底管 线防冲刷 技术 的基本原理 , 提出了仿生防护措施 ——— “人工草 ”固定法 , 并 结合现 有工程 项目进 行了试验 研究 , 结果 表明该方 法可 以有效地解决海 底冲刷造成的管道悬空问题 , 为海底管线工程的设计 、施工和维护提供了指导性的参考 . 关键词 :海底管线 ;海床 ;防冲刷 ;悬 跨 中图分类号 :P75 文献标识码 :A 文章编号 :1006-7043(2009)06-0597-05
综合式 (1)、(2), 可以得到海管冲刷悬空的临
界长度 L为
L=
CD SrV
ห้องสมุดไป่ตู้
EmI.
(3)
当实测的海底管线悬空长度大于允许的最大悬
空长度时 , 就应该对这些海底管线进行安全维护 .
海底管线 “人工草 ”覆盖是海底管线 防冲刷仿
生防护的一种 , 所谓 “人工草 ”是一种粗筛孔聚酯条
编织垫 , 将它人工 “种植 ”在水底 , 可以保 证水下管
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哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 30卷
的流速梯度集中区 , 并构成对海底的强剪切作用 , 导 致冲刷现象的出现 ;同时 , 海洋结构物的出现还改变 了水流的运动方向 , 使之产生绕流和局部大比尺旋 涡 , 更加速了海底的冲刷作用 .
当海底管线部分裸露后 , 水流越过管道会产生 次生作用力 , 在管道迎流侧的较低处形成高压区 , 在 顺流侧的较低处形成低压区 .水流越过管道的顶部 , 速度比自由水流大 .水流在哪个位置与管道分离取 决于流速 .在分离点顺流一侧的区域水流不稳定 , 产 生出尾流 , 散发出一系列的涡漩 .涡漩将启动泥沙 , 因此 , 海床冲刷首先发生在涡漩区 .随着管道裸露部 分的增加 , 涡漩增强 , 冲刷加剧 .当管道与海床面之 间出现水流隧道时 , 迎流侧和顺流侧间存在压力差 , 使管道下面形成高速流管涌现象 , 进而加速冲刷 .随 着管道下的冲刷坑扩大 , 管道下流速逐渐降低 , 使冲 刷坑不再增大 , 冲刷达到平衡状态 , 冲刷范围和深度 达到最大 , 管道处于持续的悬跨状态 .如果管道处于 管沟中 , 水流会在管道迎流侧分离 , 管道部分的处于 管沟顺流侧的尾流中 .
doi:1 0.3 69 /j.issn.1 006-70 43.20 09.06.00 1
海底管线防冲刷技术试验研究
赵冬岩1, 3 , 余建星 1 , 李广雪2 , 王 琮 3
(1.天津大学 港口与海洋工程教育部 、天津市重点实验室 , 天津 300072;2.中国海洋 大学 海洋地球科 学学院 , 山 东 青岛 266003;3.海洋石油工程股份有限公司 , 天津 300451)
2 海底管线防冲刷技术原理
海底管线失效原因很多 , 既可能来自管材自身 的缺陷 , 也可能来自管线周围环境的作用 , 因此 , 需 要针对引起海底管线失效的各种原因 分别采取对 策 .该文仅对海底管线防冲刷仿生技术进行讨论 .
仿生防护可以吸收波能 , 起到消波作用 , 同时可 以降低潮流速度 , 减少波浪 、水流动力 对岸滩的冲 蚀 , 同时促进海水中所挟泥沙的沉降 , 从而达到固沙 促淤的目的 .仿生海底防冲刷技术是由采用耐海水 浸泡 、抗长期冲刷的新型高分子材料加工且符合海 洋抗冲刷流体力学原理的仿生海草 、仿生海草安装 基垫 、特殊设计的海底锚固装置 , 以及专用锚固设备 等组成的[ 8] .
水下管线的四周 .在水中 , “人工草 ”的聚 酯条由于
浮力而垂直浮起 (高约 1 ～ 1.5 m), 在水流作用下来
回摆动 , 形成一个粘滞阻力围栅 , 使流经的水流速度
减缓 , 水流 中的泥 沙及携 带的 其他微 小物 质透 过
“人工草 ”迅速沉积 , 填充在水底 .经过一 段时间的
沉积 , 便逐渐形成一个泥沙与 “人工草 ”紧密结合的
收稿日期 :2008-09-18. 基金项目 :国家 "863"高科技资助项目 (2006AA09A105-4). 作者简介 :赵冬岩 (1958-), 男 , 高级工程师, 博 士研究生 , E-mail:zdy
@; 余建星 (1958-), 男, 教授 , 博士生导师 .
纤维加强埂将管线覆盖 .这种 “人工草 ”覆盖层非常
第 6期 赵冬岩 , 等 :海底管线防冲刷技术试验研究
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坚固 , 只有高压水流才可以破坏它 . 这种方法的优点是 : 1)一次性投 资 , 可以一 劳永 逸地解 决冲 刷问
题 , “人工草 ”不需维修 ; 2)安装后能够迅速阻止冲刷 ; 3)能够逐渐形成永久性纤维加强埂 ; 4)不影响周围水域中动植物的生长 ; 5)在深水及浅水水域都可获得良好使用效果 ; 6)沉积的泥沙等物质可以吸收能量 , 使水下管
因此 , 防止海底冲刷淘空的主要机理就是 , 增大 海底颗粒的冲刷启动速度 , 或者增加海底的抗冲刷 强度 ;降低波 、流对海底的冲刷速度 .在海洋工程实 践中 , 最为常见的海底管线防护措施有 [ 2-7] :支撑管 道 、回填悬空段 、加压载块 、用桩稳定管道 、重新挖沟 埋管 、挠性软管跨接以及 “人工草 ”固定法等 .
自从 1954年 Brown＆ Root公司在美国墨西哥 湾铺设第一条海底管线以来 , 近半个世纪里 , 世界各 国铺设的海底管线总长度已达十几万千米 , 海底管 线已成为海上油气田开发中油气传输的主要方式 . 除了被用于海上油气田开发外 , 海底管线还被广泛 用作城市污水排放入海 、成品油海底输送 、商品油气 海底输送等 .在海底管线应用迅猛发展的过程中 , 海 底管线的安全问题始终为人们所关注 .海底管道是 高投入的海底输送设施 .同陆上管道相比 , 海底管道 运行风险更大 , 这主要与其工作环境条件恶劣密切 相关 .运行在海底的管道既可能受到波浪 、海流 、潮 汐 、腐蚀等作用 , 又可能面临船锚 、平台或船舶掉落 物 、渔网等撞击拖挂危险 , 很容易发生失效事故 , 其 中海底冲刷就对海底管线 的安全构成很大的威胁 . 对于海底管线 , 冲刷会使其外裸 、悬空 , 进而造成破