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恶劣环境条件下海外天然气管道站场事故演化知识图谱建模及预警方法

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清华大学学报（自然科学版） 2022年第6期62卷 1081-1087页

作者：陈传刚胡瑾秋韩子从陈怡玥肖尚蕊中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249

近年来恶劣环境条件(雷电、风、雨)频发,给长输油气管道尤其是海外油气管道的长期安全运行带来了重大威胁。海外油气管道的运行与应急救援面临着恶劣环境条件下的管道风险事故数据不足、跨国协同较为困难等问题。为解决当前管道事故预... 详细信息

近年来恶劣环境条件(雷电、风、雨)频发,给长输油气管道尤其是海外油气管道的长期安全运行带来了重大威胁。海外油气管道的运行与应急救援面临着恶劣环境条件下的管道风险事故数据不足、跨国协同较为困难等问题。为解决当前管道事故预警模型过于依赖现场运行数据或事故相关数据的情况,该文利用恶劣环境条件下的天然气管道站场有限的事故文本数据,提出了一种基于知识图谱的站场事故演化预警模型。该模型采用双向长短期记忆网络-条件随机场算法(Bi-LSTM-CRF)对站场事故文本进行因果关系抽取,并加入了文本特征以增强抽取效果,然后利用Neo4j图数据库根据因果关系抽取的结果,建立了恶劣环境条件下海外天然气管道站场事故演化知识图谱。结果表明:相较于传统长输管道站场事故预警方法,该文所提出的基于知识图谱的站场事故预警模型不仅能够实现站场事故的预警,还能够实现对事故的路径预测以及事故应急决策推荐。这证明了该预警模型不仅可用性好,还能够有效地帮助海外天然气管道站场安全管理人员进行准确的风险控制与事故预防。

关键词：恶劣环境条件天然气管道站场双向长短期记忆网络-条件随机场(Bi-LSTM-CRF)算法知识图谱事故预警路径预测

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天然气水合物旋转空化射流冲蚀性能研究

中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 909-923页

作者：张逸群武晓亚李根生胡萧惠程玉谭雅文黄浩宸中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249 中国石油大学(北京)石油工程学院北京102249

为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合... 详细信息

为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合物二次合成的方式,提出一种天然气水合物沉积物试样冲蚀孔深及孔径定量表征方法。最后,基于自主设计研制的天然气水合物生成及空化射流冲蚀可视化实验装置,进行收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流冲蚀天然气水合物沉积物室内实验,测试旋转空化喷嘴性能。研究结果表明:旋转空化射流扩散性强,轴心线速度衰减快,径向与切向速度大,卷吸掺混能力强,破碎面积大;旋转空化射流的“负压”分布范围及极值较收缩-扩张型空化射流大幅度增加,具有更强的空化初生能力及空蚀效应;2种射流中气相分布具有相同的周期性,旋转空化射流本身具有旋转速度,在剪切层内形成了大量包含空化泡的旋涡和空泡群,空泡群产生联动效应提升了射流的空蚀能力;旋转空化射流冲蚀水合物沉积物形成的孔深及孔径分别是收缩-扩张型空化射流的2.5倍和2.0倍,在扩孔效应的基础上,空蚀效应伴生的高温、高压及微射流特性破坏水合物沉积物的骨架,降低了破坏门限压力,获得了更佳的冲蚀效果。该研究可为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物提供理论依据。

关键词：旋转空化射流天然气水合物数值模拟射流冲蚀原位环境

海洋纤维增强热塑性立管极限承载拉力预测方法

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海洋工程 2023年

作者：何杨烨谭健韩元明袁坤刘军鹏安峰辰中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院

海洋新型纤维增强热塑性立管因可盘卷、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... 详细信息

海洋新型纤维增强热塑性立管因可盘卷、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。

关键词：海洋立管热塑性管轴对称载荷温度分布失效分析极限承载力

人工智能在断裂力学的应用——裂纹识别、诊断及预测

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力学与实践 2023年第1期45卷 1-9页

作者：任伟帅健中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249

在过去的二十年里,人工智能学者不断开发新的技术及方法应用于解决工程问题。虽然许多学者已经成功应用这些人工智能技术及方法解决工程问题,但是目前还没有相关文献系统地介绍这些技术及方法在断裂力学中的应用与发展。主要介绍了经典... 详细信息

在过去的二十年里,人工智能学者不断开发新的技术及方法应用于解决工程问题。虽然许多学者已经成功应用这些人工智能技术及方法解决工程问题,但是目前还没有相关文献系统地介绍这些技术及方法在断裂力学中的应用与发展。主要介绍了经典断裂力学的发展以及成果,并归纳总结近年来人工智能方法在断裂力学中的应用,将其成果细分为三类,包括失效模式识别,损伤和失效的检测及诊断和断裂参数的表征、反演和预测。详细讨论了人工智能方法在上述三个方面的应用情况。最后分析了这些人工智能方法在断裂力学领域中的优点及不足并提出了未来可能的研究方向。

关键词：断裂力学人工智能损伤检测断裂参数反演断裂预测

海洋纤维增强热塑性立管极限承载拉力预测方法

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海洋工程 2024年第3期42卷 44-59页

作者：何杨烨谭健韩元明袁坤刘军鹏安峰辰中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249

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... 详细信息

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。

关键词：海洋立管热塑性管轴对称载荷温度分布失效分析极限承载力

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双金属复合管屈曲失效机理及临界载荷研究

石油机械 2024年第5期52卷 138-144页

作者：肖世轩吕志阳朱学铭曲琳梁学泉中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院

为探究双金属复合管的屈曲失效机理,利用ABAQUS软件建立了双金属复合管有限元模型,考虑成型残余应力的存在,分析了弯曲过程中弯矩、椭圆度和内衬褶皱幅值随曲率的变化规律;研究了内衬管屈服强度、内衬管径厚比以及外基管径厚比对双金属... 详细信息

为探究双金属复合管的屈曲失效机理,利用ABAQUS软件建立了双金属复合管有限元模型,考虑成型残余应力的存在,分析了弯曲过程中弯矩、椭圆度和内衬褶皱幅值随曲率的变化规律;研究了内衬管屈服强度、内衬管径厚比以及外基管径厚比对双金属复合管屈曲失效的影响,并进一步给出了临界弯矩和临界曲率的预测公式。分析结果表明:屈服强度更高的内衬管可提高复合管的临界弯矩,但会降低复合管的临界曲率;更小的内衬管径厚比和外基管径厚比均可提高复合管的临界弯矩和临界曲率;相较于临界弯矩,内衬管屈服强度和径厚比的改变对临界曲率影响更为明显,外基管径厚比的改变则对两者均具有十分明显的影响;临界弯矩和临界曲率公式预测结果与有限元计算结果的相对误差不超过4%和12%。所得结论可为双金属复合管的设计和安全评价提供参考依据。

关键词：双金属复合管屈曲失效内衬褶皱径厚比临界弯矩临界曲率

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基于有限元的管道焊缝裂纹干涉问题研究

北京理工大学学报 2020年第1期40卷 23-28,47页

作者：张玉马国印任晖邦段梦兰王懿中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院

建立了管道焊缝双裂纹的有限元模型,分析双裂纹尺寸和裂纹尖端距离对裂纹应力强度因子的影响,讨论了裂纹干涉的规律,拟合出双裂纹间距离比和尺寸比对裂纹应力强度因子放大系数影响规律的计算公式.研究了焊缝区双裂纹干涉的规律.结果表明... 详细信息

建立了管道焊缝双裂纹的有限元模型,分析双裂纹尺寸和裂纹尖端距离对裂纹应力强度因子的影响,讨论了裂纹干涉的规律,拟合出双裂纹间距离比和尺寸比对裂纹应力强度因子放大系数影响规律的计算公式.研究了焊缝区双裂纹干涉的规律.结果表明:随着两裂纹尖端距离增大,放大系数与距离比、尺寸比的关系为指数关系,其中距离比对放大系数的影响指数接近为-1,尺寸比对放大系数的影响指数接近为2.同时,基于干涉规律及结果,对裂纹进行ECA评估,同BS7910规范中对裂纹等效合并后的评估结果比较,拟合公式考虑了干涉效应的影响,评估结果较为准确,而BS7910规范评估结果或过于保守或过于乐观.

关键词：有限元分析裂纹干涉应力强度因子 ECA评估

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南海海域应急资源存储选址及调度方案研究

安全与环境学报 2023年第1期23卷 178-185页

作者：王雅杰樊建春中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249

南海油气田的勘探开发属高风险作业。由于复杂的作业环境,现有研究成果无法满足南海探区的应急保障。因此,如何解决南海作业的应急工作问题是目前面临的首要问题。考虑南海特有的作业环境影响,以应急响应时间最小化及调度资源满意度最... 详细信息

南海油气田的勘探开发属高风险作业。由于复杂的作业环境,现有研究成果无法满足南海探区的应急保障。因此,如何解决南海作业的应急工作问题是目前面临的首要问题。考虑南海特有的作业环境影响,以应急响应时间最小化及调度资源满意度最优化为目标函数,建立了一种基于浮式码头的多作业点、多供应点、多需求点的多目标优化模型,采用设计的混合启发式算法对其求解。以油气泄漏为例,定量分析了南海特有土台风在不同季节的影响权重,并对模型进行了验证。结果表明,在外部环境具有显著差异的情况下,资源存储地选址-调度的应急决策方案不同。所选择的目标探区中夏季和秋季更适合进行南海勘探作业。此外,根据不同季节应急点资源需求量的变化,同一锚泊点在不同季节具有不同的资源储备数量,决策者需根据作业时间窗按照应急需求合理配置应急资源。所得结果证实了模型及方法的有效性和可行性。

关键词：公共安全选址资源调度混合启发式算法南海多目标优化

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压缩空气储能系统模型预测控制

控制理论与应用 2021年第12期38卷 1935-1946页

作者：徐晴晴宋凯中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249

压缩空气储能作为一项新型物理储能技术,利用模型预测控制可降低热力成本、提高能源利用效率.为实现压缩空气储能系统的温度控制,分析了压缩空气储能系统中的换热器系统、热能存储系统和盐穴储气系统的热力学特性,建立压缩空气储能系统... 详细信息

压缩空气储能作为一项新型物理储能技术,利用模型预测控制可降低热力成本、提高能源利用效率.为实现压缩空气储能系统的温度控制,分析了压缩空气储能系统中的换热器系统、热能存储系统和盐穴储气系统的热力学特性,建立压缩空气储能系统的集中参数和分布参数耦合系统模型.设计耦合系统的模型预测控制策略,针对控制器中复杂约束优化求解问题,提出了基于Cayley-Tustin变换的离散化方法,提高了压缩空气储能系统控制精度.仿真结果表明模型预测控制可避免天气变化引起的干扰,可以有效提高压缩空气储能系统热能利用.

关键词：压缩空气储能系统分布参数系统建模模型预测控制