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海底管道的疲劳可靠性评估

海底管道的疲劳可靠性评估

作者：徐进西南石油大学

学位级别：硕士

随着世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求不断增加，石油在现代社会中占据着越来越重要的地位。人们在加强对陆地油气资源勘探开发的同时，也将目光投向占地球总面积70％的海洋。勘探表明，在大陆架及其孤岛间的过渡带储藏着丰富的油... 详细信息

随着世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求不断增加，石油在现代社会中占据着越来越重要的地位。人们在加强对陆地油气资源勘探开发的同时，也将目光投向占地球总面积70％的海洋。勘探表明，在大陆架及其孤岛间的过渡带储藏着丰富的油气资源，世界大陆架的39％地区含有油气构造，其储量占全世界石油储量的30％～40％。美国的墨西哥湾、欧洲的北海、西亚的波斯湾、北非海域以及南中国海域、渤海海域都已成为世界各国开发海洋石油资源的重要场所。海洋油气开发成为一个迅猛发展的新兴产业。到90年代初，海洋油气生产产值已占世界海洋经济的60％。1996年海上石油产量为10亿吨，占世界石油总产量的35％。我国海洋油气产业也在快速发展。1982年中国海洋石油总公司成立时，全国海上年产石油量仅为9万吨。到1997年海上石油年产量已达到1629万吨，16年中增长了180倍。随着海洋油气开发产业日益蓬勃，海底油气管道在近海石油及天然气的开采运营中得到广泛应用。在海上油气生产过程中，与船运相比，利用海底管道运输油气具有以下优势：运输具有连续性，一旦投入运营，就可以连续不断地进行运输，减少中间装卸、转动过程中的时间消耗;管道运输的封闭性可以大大减少运输过程中的油气损失;管道一旦建成投入使用，即可高效、安全地完成油气输送任务。自1954年美国墨西哥湾第一条海底管道建成以来，世界各近海海域已成功铺设各种类型、各种管径的海底管道。2005年12月，世界最长的海底输气工程——“波罗的海输气管道项目”正式启动。这条海底输气管道经海底穿越波罗的海，全长1200公里，管道直径1.2米，年输气能力为550亿立方米天然气。我国1985年在渤海埕岛铺设了国内第一条海底管道。随后，BZ28-1油田、BZ-34-2/4油田、JZ-20-2油田等油上油田相继铺设海底管道。截止到1999年，我国铺设的海底油气管道已超过2000公里。由于海洋环境及海上生产的复杂性和特殊性，海底管道呈现出与陆上管道不同的特点：首先，海底管道的影响因素比较复杂;其次，海底管道故障的危害程度要比陆上管道严重。因此，海底管道在服役期间的安全性也就成为海底管道在设计、铺设、运营过程中需要特别关注的问题。在引发海底管道事故的诸多因素中，疲劳损伤是导致海底管道失效的主要原因。所谓疲劳失效，就是海底管道1生疲劳载荷的多次重复作用下，产生损伤并累积，引起管道失效。为了保证管道安全运行并为挖掘其承载潜能提供科学依据，需要对管道的疲劳可靠性进行分析。海底管道疲劳分析要解决的核心问题有两个：(1)对管道在整个服役期间承受的疲劳载荷历史，即管道所处的疲劳环境进行定量描述;(2)给出管道抗疲劳的性能指标，建立模型描述管道抗疲劳能力与疲劳环境之间的关系。由于海底管道主要承受海流力和波浪力两种交变载荷的作用，因此分析海底管道的疲劳可靠性时，需要分别对这两种疲劳载荷作用下管道的疲劳可靠性进行分析。[2] 海流流经管道悬跨时，引起悬跨在两个方向上振动——同向振动(沿水流方向的振动)和横向振动(垂直于水流方向的振动)。这两种振动可能引发管道疲劳失效。在分析海流载荷作用下管道的疲劳振动问题时，将管道悬跨的振动处理为两端固定的线弹性横梁的自由振动问题。以材料力学和理论力学为基础，建立悬跨在海流载荷作用下涡激振动动力响应分析模型，推导出悬跨涡激振动的动力响应特性方程。利用。Hermit插值函数法离散特性方程后，采用威尔逊θ逐步积分法求解特性方程，得到管道振动时疲劳应力幅的概率分布。根据Miner线性疲劳损伤累积理论，采用S-N曲线法预测管道的疲劳寿命并分析管道的疲劳可靠度。作用在海底管道上的波浪力可以分解为波浪升力和水平波浪力，管道悬跨在这两个力的作用下发生垂直振动和水平振动。管道的这种振动最终可能会导致管道疲劳失效。对于铺设在浅水海域的管道，波浪力的这种作用尤为明显。在分析波浪力作用下海底悬跨的振动问题时，将悬跨的振动处理为两端为理想支承线弹性横梁的自由振动问题，以材料力学和理论力学为基础，根据：Morison方程建立数学模型，分别分析管道在波浪升力和水平波浪力作用下的振动特性，推导出悬跨在波浪力作用下的振动动力响应特性方程，求解方程得到管道振动时的疲劳应力幅，将这些随机应力进行等效处理。依据Miner线性疲劳损伤累积理论，采用S-N曲线法，预测管道的疲劳寿命，分析管道可靠度。当预测出的管道寿命小于其设计要求寿命时，管道发生失效。为了延长管道疲劳寿命，需要对影响管道寿命的各项因素进行分析，然后根据具体情况选择设计、铺设和维护方法。 1.2本文的背景、目的和意义海底石油管道的安全直接影响着海上石油生产以及海洋生物与环境。随着海洋油气资源的开发利用，海底油气管道

关键词：海底管道悬跨疲劳可靠性海流载荷疲劳寿命 Morison 惯性力系数波浪力涡激振动动力响应分析

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深海海底管线自沉过程数值模拟研究

深海海底管线自沉过程数值模拟研究

作者：唐丕鑫天津大学

学位级别：硕士

海底管线是连接油井与平台、平台与陆上储运设施的油气输送工具,具有安全、稳定、经济、输送量大等优点,是海洋油气输运系统的重要组成部分。海底管线的铺设方式分为裸置与埋置两种,不论采取何种方式,海底管线在铺设后,由于自重作用将... 详细信息

海底管线是连接油井与平台、平台与陆上储运设施的油气输送工具,具有安全、稳定、经济、输送量大等优点,是海洋油气输运系统的重要组成部分。海底管线的铺设方式分为裸置与埋置两种,不论采取何种方式,海底管线在铺设后,由于自重作用将开始自沉过程,管线逐渐嵌入海床土体,最终达到管土平衡的状态。由于海底环境与陆上不同,在自沉过程中,海底管线受多种荷载的联合影响,易产生较大的变形而失稳,造成巨大的经济损失和环境污染,因此海底管线的安全性和稳定性在海洋油气开发中尤为重要。通过有限元软件ABAQUS,应用Mohr-Coulomb本构关系,建立深海海底管土相互作用模型,模拟海底裸置与埋置管线的自沉过程。通过设置初始地应力平衡,管土接触,重力、浮力施加,土体排水固结等分析步,计算裸置和埋置管线、土体竖直方向的位移,并通过大量计算,探究管线和土体相关参数的变化对自沉过程的影响。计算结果显示,对于裸置管线,土体呈现沉降趋势,且参数的改变使土体越容易发生塑性屈服,土体的竖直方向位移量越大;对于埋置管线,土体呈现隆起趋势,且当管线埋深较浅、管线上方土体重量不大时,参数的改变使管线的平均密度与周围土体的密度相差越大、土体越容易发生塑性屈服,土体的竖直方向位移量越大。同时通过在裸置管线模型中设定生死单元的方式使部分土体失效,模拟海底悬跨管线的自沉过程,并探究悬跨长度对自沉过程的影响。计算结果显示,当管线悬跨长度较小时,土体竖直方向位移与管线未悬跨时的数值相接近,略有增长;一旦管线悬跨长度过大,管线两端支撑土体即被压溃,管线将产生大变形,十分危险。因此在海底管线安装与维护中,一定要采取有效措施降低悬跨长度,保证管线运营安全。

关键词：海底管线自沉过程数值模拟竖直位移悬跨

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单点系泊输油终端海底管道结构设计

单点系泊输油终端海底管道结构设计

作者：蒋岚岚上海交通大学

学位级别：硕士

伴随海洋天然气和石油资源的开发深入,海底管道的发展越来越快,铺设的需求也越来越大,这使得海底管道的研究和设计具有重要的现实意义。此外,国内现有的海上油气田生产系统有的已应用了几十年,快达到其使用寿命,需要更换,也使得海底管... 详细信息

伴随海洋天然气和石油资源的开发深入,海底管道的发展越来越快,铺设的需求也越来越大,这使得海底管道的研究和设计具有重要的现实意义。此外,国内现有的海上油气田生产系统有的已应用了几十年,快达到其使用寿命,需要更换,也使得海底管道具备重新设计研究的必要性。本文简单阐述了海底管道的历史和研究现状,采用目前国际上流行的极限状态设计方法对某单点系泊输油终端配套的海底管道强度进行了分析和设计。主要包括:(1)收集海底管道拟建区域的海洋环境条件、地质条件以及输送油品相关信息,并对其进行调研分析,提炼出海底管道设计所需的输入参数。(2)阐述路由路径规划的设计原则,选取经济、合理、实用的管道路由。(3)依据DNV规范,应用Plusone软件进行海底管道强度设计分析,包括海底管道壁厚设计、稳定性分析、悬跨分析以及膨胀分析,将设计分析结果根据实际施工要求进行选取和校核。(4)对海底管道铺设方法进行分析,选取合适的安装方法以及铺管船,应用OFFPIPE 3软件对海底管道典型工况的安装进行设计分析,校核管道在安装工况下的结构安全。通过上述各项研究,掌握海底管道结构设计方法,了解海底管道前沿发展技术,做好相关技术储备,为后续相关项目开展提供参考和技术支持。

关键词：海底管道 DNV规范结构设计壁厚稳定性悬跨

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基于磁弹效应的钢板应力测量实验研究

基于磁弹效应的钢板应力测量实验研究

作者：燕玉田天津大学

学位级别：硕士

海底管道经常因海流冲蚀失去基土支撑从而形成悬跨。悬跨导致的异常应力载荷,大大增加了管道疲劳断裂风险。海底环境下的管道悬跨状态评估是国内外所面临的共同难题。本文根据悬跨管道特有的应力分布规律,提出了一种利用磁弹效应测量管... 详细信息

海底管道经常因海流冲蚀失去基土支撑从而形成悬跨。悬跨导致的异常应力载荷,大大增加了管道疲劳断裂风险。海底环境下的管道悬跨状态评估是国内外所面临的共同难题。本文根据悬跨管道特有的应力分布规律,提出了一种利用磁弹效应测量管壁应力进而检测管道悬跨的新思路。围绕这一思路,本文开展了以下四个方面的研究工作:(1)建立了悬跨管道在复杂内外载荷作用下的有限元仿真模型,研究了不同悬跨状态下悬跨管道力学参数的空间分布规律,评估了各个力学参数的可测性,提出了利用磁弹效应检测管道管壁应力进而反算出悬跨状态的内检测总体思路,确定了三种管壁/钢板应力磁测方案:弱交流磁化法、强直流磁化法、交流磁各向异性法。(2)提出利用弱交流磁化感应磁场测量钢板应力并验证了其可行性。通过有限元仿真和实验研究了弱磁化条件下不同热磁处理钢板的力磁关系,结果表明:钢板表面法向弱交流感应磁场在不同频率时均具有良好的应力敏感特性;弹性应力变化范围为0MPa～167MPa时,力磁曲线单调区间内的交流磁场幅度变换量为2.69m Gs;该方案具有良好的重复性和抗背景磁场干扰能力。(3)提出利用强直流磁化增强应力磁测灵敏度和精度并验证了其可行性。通过有限元仿真和钢板拉伸磁测实验,研究了强直流磁化条件下钢板应力的磁敏感特性,确定了磁铁和传感器的布局方案。类管道加压容器磁测实验表明,强直流磁化可将力磁灵敏度提高2～3倍以上,可提高抗背景磁场干扰能力;对于外直径*高度*壁厚=275mm*300mm*7.5mm的压力容器,力磁灵敏度可达10.2 m Gs/MPa。(4)验证了利用交流磁各向异性测量钢板应力的可行性和优势。通过有限元仿真设计了模拟悬跨管道应力状态的钢板应力加载装置,提出并开展了感应电压法和阻抗分析法钢板应力检测方案。结果表明:钢板应力与其表面接收线圈的感应电压、阻抗之间均存在良好的线性关系,灵敏度分别可达1m V/MPa和0.2Ω/MPa。与前两种方案相比,该方案能够更加可靠地辨识悬跨管道管壁应力状态的空间分布差异。

关键词：海底管道悬跨磁弹效应钢板-应力磁各向异性

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现役海底输油管线的可靠度分析与维修决策

现役海底输油管线的可靠度分析与维修决策

作者：左华伟大连理工大学

学位级别：硕士

海底管线是海上油气田的生命线，它的安全与否直接关系到整个油气田的生存。目前，对于海底管线的研究已经从设计、施工、检测、维修等各个方面展开，并取得了一定的成果。但是，对于现役海底管线来说，由于其所处海洋环境的复杂多变，... 详细信息

海底管线是海上油气田的生命线，它的安全与否直接关系到整个油气田的生存。目前，对于海底管线的研究已经从设计、施工、检测、维修等各个方面展开，并取得了一定的成果。但是，对于现役海底管线来说，由于其所处海洋环境的复杂多变，在经过一段时间的服役后，工作状态发生变化，这时就要验算其在设计基准期内的剩余时间里，还能否完成预定的功能。即结构是否发生破坏，是否需要维修，以及做出维修决策的依据等都还是一个新生领域，需要进一步的研究。本文利用可靠度理论展开对海底管线在这一方面的研究，从可靠度的角度研究海底管线发生破坏的极限跨长，为维修决策提供进一步的依据。结构评定的安全度标准与所采用的分析方法是一致的，采用可靠性分析方法需有目标可靠性指标为标准。因此，本文充分考虑结构的经济性和风险性等因素，采用模糊优化的方法，得到海底管线需进行维修时的临界安全系数，再根据其在不同环境荷载条件下的不同失效模式反演确定出各自情况下的目标可靠度指标。本文首先研究了在极端荷载——地震力的作用下，悬跨海底管线的强度破坏问题，并根据这一强度破坏失效模式对管线进行了动力可靠度分析。再根据海底管线在这一失效模式下的目标可靠指标进行可靠度评估，得到悬跨情况下的最危险跨长。其次，悬跨形成以后，海底管线在波浪力的颤振作用下，易发生疲劳破坏，因此，本文根据疲劳破坏失效模式，对其进行了疲劳可靠度分析，并根据该失效模式的目标可靠指标进行评估，得到了悬跨海底管线发生疲劳破坏的极限跨长。通过以上两种破坏模式下的可靠度分析，结果表明疲劳破坏模式所确定的极限跨长远小于地震力作用下强度失效模式确定的极限跨长，由此可见当海底管线形成悬跨以后，波浪力作用下的疲劳问题是避免管线失效的主要控制因素。当管线悬跨段长度达到疲劳失效确定的极限跨长时，就应该根据实际情况做出维修决策。

关键词：海底管线悬跨可靠度可靠指标地震力彼浪升力

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海管整体屈曲分析与枕木铺设的止屈研究

海管整体屈曲分析与枕木铺设的止屈研究

作者：宋日悬东北石油大学

学位级别：硕士

鉴于我国的石油开采行业向海洋进军的趋势,输油管道的安全成为其中重要一环,在高温高压作用下,极易引起管道屈曲破坏,其中枕木法是重要的止屈方式,研究枕木止屈效果的控制因素和海床悬跨对枕木的影响,这对于海管管道铺设和结构优化具有... 详细信息

鉴于我国的石油开采行业向海洋进军的趋势,输油管道的安全成为其中重要一环,在高温高压作用下,极易引起管道屈曲破坏,其中枕木法是重要的止屈方式,研究枕木止屈效果的控制因素和海床悬跨对枕木的影响,这对于海管管道铺设和结构优化具有重要意义。论文首先基于Taylor的实验数据建立了管-土之间使用接触模拟的有限元模型,并将模型后屈曲的结果与解析解进行了可靠性验证,曲线吻合良好。为研究海底裸置管道的横向屈曲特性,论文建立了先隆起后横向屈曲模型,通过施加扰动力的方式对不同长度和径厚比的管道进行影响性分析,结论表明:管道到一定长度后,临界屈曲温度便不再变化,径厚比对临界屈曲温度的影响较小,对轴力的影响比较大。通过建立直接横向屈曲模型,研究了摩擦系数、阻尼、内压和不同比例缺陷的枕木高度等因素对海管横向屈曲的影响,考虑到了有限元模型对两个方向的刚度的敏感程度,并得到了两种几何不直度下的管道变形方式,研究表明:内压对管道变形和轴力影响较大,阻尼越大,管道的临界屈曲温度越高。随着枕木高度的增加,临界屈曲温度先递减后递增。相对于法向刚度,管道的屈曲变形对切向刚度更为敏感。将海底悬跨跨度作为一个重要参数,通过建立枕木-悬跨屈曲模型,研究悬跨对于枕木止屈的影响,验证了当枕木周围出现过大或过近的悬跨时,会造成枕木无法横向屈曲的后果。只有悬跨小于一定跨度,枕木才可以发挥止屈的效果。

关键词：枕木海底管道横向屈曲初始缺陷悬跨

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海底管线用铰接式托架铺设时的大变形分析

华中工学院学报 1986年第3期 329-336页

作者：朱达善黄玉盈华中工学院力学系

本文在文献[1]的基础上,进一步研究了管线用铰接式托架铺设时的大变形问题。文中对托架段和悬跨段同时采用奇异摄动法分别求解,然后利用两段交接处的连续条件成功获得了全条管线变形解的二阶近似式。

关键词：托架大变形奇异摄动火炮构件段管线悬跨铰接式

匡溪科学研究所,布隆菲尔德山,密歇根,美国

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世界建筑 2016年第8期 84-87页

作者：陈茜斯蒂文.霍尔建筑师事务所

场地策略外部空间的塑造及与实体建筑的组织,赋予了匡溪校园清晰的特色。而在匡溪科学研究的加建项目中,我们将这一特征进行了延续。设计的目标在于尽可能减少对原有沙里宁建筑作品的扰动,同时尽可能增加潜在流线与参观体验。新的内部... 详细信息

场地策略外部空间的塑造及与实体建筑的组织,赋予了匡溪校园清晰的特色。而在匡溪科学研究的加建项目中,我们将这一特征进行了延续。设计的目标在于尽可能减少对原有沙里宁建筑作品的扰动,同时尽可能增加潜在流线与参观体验。新的内部庭园以倾斜和折叠的连接方式,形成了由花园至外部校园空间高程的柔和衔接。

关键词：校园空间沙里宁外部空间建筑作品布隆 garden 悬跨 campus 主入口 exhibition

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国内外海底管道交叉点处理方法研究

中国石油和化工标准与质量 2018年第7期38卷 120-121页

作者：刘丰于银海海洋石油工程股份有限公司天津300461

海底管道交叉点悬跨情况在实际工程中普遍发生,悬跨造成管道受力复杂,同时海流的周期性涡漩释放引发海底管道涡激振动,造成管道疲劳失效,从而影响管道寿命。分析交叉点临界悬跨距离,梳理国内外对交叉点处理方法,进行交叉处理方法研究,... 详细信息

海底管道交叉点悬跨情况在实际工程中普遍发生,悬跨造成管道受力复杂,同时海流的周期性涡漩释放引发海底管道涡激振动,造成管道疲劳失效,从而影响管道寿命。分析交叉点临界悬跨距离,梳理国内外对交叉点处理方法,进行交叉处理方法研究,论述了不同工况,交叉点处理的优缺点,提出可行性方案,为以后海底管道交叉点处理项目提供有益的借鉴意义。

关键词：悬跨交叉点处理水泥压块水泥垫墩灌浆包