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抛锚对海底管道影响的离心模型试验研究

岩土工程学报 2024年第S1期46卷 217-221页

作者：刘海成安晓宇王斐张宇亭李建东边天奇元光宗交通运输部天津水运工程科学研究院港口水工建筑技术国家工程研究中心天津300456 天津大学水利工程仿真和安全国家重点实验室天津300072

锚击是影响海底管道安全运营的重要因素之一。采用天科院TK-C500土工离心机以及新开发的抛锚试验装置开展了抛锚离心模型试验,测量了海底管道的受力变化,分析了抛锚作业对浅埋海底管道的影响。试验结果表明,落距对管道弯矩的变化有着普... 详细信息

锚击是影响海底管道安全运营的重要因素之一。采用天科院TK-C500土工离心机以及新开发的抛锚试验装置开展了抛锚离心模型试验,测量了海底管道的受力变化,分析了抛锚作业对浅埋海底管道的影响。试验结果表明,落距对管道弯矩的变化有着普遍性的影响,管道弯矩增量与落点的水平距离和管道埋深呈现明显的非线性特征。当12.3 t霍尔锚落在φ630管道正上方时,各种不同落距各种不同管道埋深工况,管道弯矩增量都远大于其塑性屈服弯矩,管道的安全运行已经受到了严重威胁。当落距小于3.5 m、水平距离大于1.4 m时和当落距增大到7 m、水平距离大于2.8 m时,管道弯矩增量不会超过塑性屈服弯矩;随着落距继续增大,锚落于管道一定范围内时,都将对管道安全运行产生严重威胁。

关键词：土工离心模型试验霍尔锚抛锚海底管道

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深海采矿柔性管力学性能及加工工艺研究综述

力学与实践 2024年第3期46卷 532-547页

作者：徐万海沙沐王莹莹马烨璇天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室天津300072 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院北京102249 中国科学院力学研究所北京100190

海洋蕴藏着储量丰富的矿产资源,深海矿产资源开发逐渐成为学术界和工程界的研究热点。管道提升式开采方案是目前公认的最具商业前景的海洋矿产开发方案。矿产输运管道作为连接海底中继舱和海上采矿平台的纽带,需要承受恶劣的风、浪、流... 详细信息

海洋蕴藏着储量丰富的矿产资源,深海矿产资源开发逐渐成为学术界和工程界的研究热点。管道提升式开采方案是目前公认的最具商业前景的海洋矿产开发方案。矿产输运管道作为连接海底中继舱和海上采矿平台的纽带,需要承受恶劣的风、浪、流环境载荷和复杂作业工况的工作载荷,其设计制造和力学性能分析一直备受关注。相比于刚性管道,柔性管道的弯曲刚度小、便于安装与回收、使用寿命较长。然而,柔性管道的结构复杂,各层之间相互影响,金属柔性管道由于自身结构的限制,在深海采矿行业中难以广泛应用,人们开始把目光放在非金属柔性管的设计与应用上。本文回顾了柔性管的发展历程,总结阐述了柔性管设计及加工制造中的力学性能分析方法和力学特性,并对柔性管设计制造的未来发展提供力所能及的展望。

关键词：柔性管管道设计管道加工深海采矿

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琼东南盆地水合物富集区储层特征及勘探启示

地球科学 2024年第4期49卷 1421-1430页

作者：樊奇朱振宇庞维新李清平周松望李元平中海油研究总院有限责任公司北京100028 海洋天然气水合物全国重点实验室北京102209 中海油服股份有限公司物探事业部天津300450 中海油深圳分公司研究院广东深圳518054

天然气水合物是海洋新能源的重要开拓领域,南海琼东南盆地是水合物富集区和热点研究区.为进一步摸清琼东南水合物富集区储层特征,选取国产自主技术装备收获的水合物岩心开展分析并获得第一手资料.通过粒度、岩矿分析(含扫描电镜)、随钻... 详细信息

天然气水合物是海洋新能源的重要开拓领域,南海琼东南盆地是水合物富集区和热点研究区.为进一步摸清琼东南水合物富集区储层特征,选取国产自主技术装备收获的水合物岩心开展分析并获得第一手资料.通过粒度、岩矿分析(含扫描电镜)、随钻测井、红外热成像、氯离子饱和度法等综合分析,测得储层主要是由石英(含量23%)、斜绿泥石(含量17%)、绢云母(含量15%)、钠长石(含量14%)等组成的硅铝质粘土沉积,储层粒度中值15.1~34.1μm,饱和度分布3%~54%,揭示了水合物储层“细粒性、未成岩、易溃散、高电阻、高声速、强非均质性”等六大特征;结合气源、储层分析和勘探认识,建立了“异地热成因气充注、本地微生物成因气补充、气烟囱顶部运移聚集、海底扇内横向成藏”的成藏模式,重点对123 mbsf和153 mbsf(mbsf全称为meter below seafloor,表示海底以下深度,以“m”为单位)两件原位保压岩心进行X射线和CT扫描,识别出泥质粉砂孔隙型储层(海底扇横向为主)和南海新发现的水合物储层类型泥质粉砂微裂缝型储层(气烟囱垂向为主)两类主要储层;提出了“以古气候-地质事件为节点关注珠江口-琼东南第四系大型砂体的赋存条件和资源潜力、加强传热传质在水合物成藏机理和资源评价中的研究”勘探启示.研究可为中国南海天然气水合物勘查和试采提供重要科学参考.

关键词：储层特征细粒未成岩勘探启示天然气水合物琼东南盆地海洋地质学

霍尔锚拖曳运动状态离心模型试验与数值模拟研究

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岩土工程学报 2024年第S1期46卷 117-121页

作者：安晓宇王斐纪文栋张宇亭刘现鹏李建东元光宗边天奇中能建数字科技集团有限公司北京100044 交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程研究中心天津300456 天津大学水利工程仿真和安全国家重点实验室天津300072

对于平铺或浅埋在海床中的海底管道和电缆,意外的拖锚作业是影响其安全运营的重要因素之一。由于锚在土中的拖动过程中时刻发生着土的大变形和破坏,涉及材料非线性、几何非线性及接触非线性等诸多力学问题,通过解析的研究手段很难准确... 详细信息

对于平铺或浅埋在海床中的海底管道和电缆,意外的拖锚作业是影响其安全运营的重要因素之一。由于锚在土中的拖动过程中时刻发生着土的大变形和破坏,涉及材料非线性、几何非线性及接触非线性等诸多力学问题,通过解析的研究手段很难准确地分析拖锚过程。采用离心模型试验和数值分析相结合的手段展开拖锚研究,测试和计算了不同重量的船锚在不同类型海床上的运动趋势、拖曳力发展规律、入土深度等。结果表明,在低强度的黏性土海床上拖锚,极有可能会产生一种假抓底现象;在中高强度的黏性土海床上拖锚,锚的拖动过程可以分为土台形成阶段、锚爪楔入阶段和运动稳定阶段三个阶段;在无黏性土和黏性土海床上,达到稳定阶段时拖动的距离分别是锚长的4倍和1.27~1.96倍;对于质量大于6 t的霍尔锚,无论在黏性土海床还是非黏性土海床上,锚爪的入土深度均大于1 m,拖锚作业很有可能会对海管或海缆造成直接损坏,需要引起重视。

关键词：霍尔锚拖锚土工离心模型试验数值模拟入土深度

考虑颗粒破碎影响的钙质砂中海底管道贯入机制研究

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岩土力学 2024年第2期45卷 623-632页

作者：杨阳王乐马建华童晨曦张春会王智超田英辉天津大学建筑工程学院天津300350 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 中国港湾工程有限责任公司北京100010 中南大学土木工程学院湖南长沙410075 河北科技大学河北省岩土与结构体系防灾减灾技术创新中心河北石家庄050018 湘潭大学土木工程学院湖南湘潭411105 墨尔本大学墨尔本工程学院澳大利亚维多利亚3010

通过离心机模型试验,结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示,钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系,其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)中相同深... 详细信息

通过离心机模型试验,结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示,钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系,其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验(cone penetration test,简称CPT)中相同深度锥尖阻力的乘积。当管道埋深较小时,由于土体变形主要以颗粒重排挤密为主,管道竖向贯入阻力几乎不受颗粒强度影响;当管道埋深较大时,管道竖向贯入阻力随着颗粒强度的降低以及颗粒破碎的加剧而减小。钙质砂中管道竖向贯入机制主要表现为典型的冲剪破坏,土体变形主要集中在管道底部,且水滴状变形区域随着颗粒破碎的加剧逐渐收缩。颗粒破碎从管道底部向远离管道径向发展,大量贴近管道底部的颗粒发生连续破碎,少量远离管道的颗粒发生独立破碎。颗粒破碎导致管道底部土体中的集中应力释放,颗粒破碎越多,应力释放导致管道竖向贯入阻力减小的现象越明显。

关键词：钙质砂颗粒破碎海底管道离心机试验离散元

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扭矩与外压联合作用下海底管道的屈曲研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第6期55卷 596-602页

作者：余杨胡少谦韩梦雪余建星刘泽生天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 天津大学天津市港口与海洋工程重点实验室天津300072

针对海底管道在铺设和服役期间受到扭矩与外压联合作用发生屈曲的问题,进行缩比尺管道实验和有限元建模分析,对管道的变形和压溃规律进行研究.以缩尺比管道实验为基础,利用ABAQUS有限元软件,对实验管件在扭矩与外压联合作用下的压溃破... 详细信息

针对海底管道在铺设和服役期间受到扭矩与外压联合作用发生屈曲的问题,进行缩比尺管道实验和有限元建模分析,对管道的变形和压溃规律进行研究.以缩尺比管道实验为基础,利用ABAQUS有限元软件,对实验管件在扭矩与外压联合作用下的压溃破坏进行模拟,并与实验结果进行对比,验证模型的可靠性.基于有限元分析,研究了扭矩和外压联合作用下管道的截面变形和承载极限.研究结果表明,管道受扭矩作用时,管道截面椭圆度与扭矩是近似指数相关,扭矩较小时,截面无明显变形;当扭矩接近扭矩承载极限时,椭圆度剧增.管道受扭矩和外压联合作用时外压对管道变形影响更大,管道的破坏以压溃屈曲为主,截面为“哑铃状”.管道椭圆度缺陷越大,外压承载极限越小;管道承受的扭矩载荷越大外压承载极限越小;得到了扭矩与外压承载极限的无量纲关系曲线,此关系不受椭圆度影响,扭矩越大外压承载极限的下降速率越大;建议海底管道设计扭矩不超过扭矩承载极限值的70%,以提升管道在扭矩与外压联合作用下的安全性.P-T路径比T-P路径更危险,载荷路径引起的管道承载极限差异在10%以内,椭圆度会降低载荷路径的影响差异.

关键词：海底管道扭矩外压屈曲变形外压承载极限

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超临界CO_(2)管道放空特性实验研究

中国安全生产科学技术 2023年第S2期19卷 101-107页

作者：杨腾李玉星王海锋衣华磊柳歆胡其会殷布泽列斯别克·塔拉甫别克丛思琦路建鑫中国石油大学(华东)山东省油气储运安全重点实验室山东青岛266580 中海油(天津)管道工程技术有限公司天津市海底管道企业重点实验室天津300456 中海油研究总院有限责任公司北京100028

由于CO_(2)具有较强的节流效应,超临界CO_(2)管道放空过程在管道内会形成低温区域,低于三相点可能生成干冰堵塞管道,甚至引发钢管低温脆断。设计1套超临界CO_(2)管道节流放空装置,研究不同初始温度条件下CO_(2)管道泄放过程中压降、温... 详细信息

由于CO_(2)具有较强的节流效应,超临界CO_(2)管道放空过程在管道内会形成低温区域,低于三相点可能生成干冰堵塞管道,甚至引发钢管低温脆断。设计1套超临界CO_(2)管道节流放空装置,研究不同初始温度条件下CO_(2)管道泄放过程中压降、温降及相态变化特性。研究结果表明:超临界CO_(2)管道泄放过程中,管道底部流体温度明显低于管道顶部流体温度,泄放过程中管内流体径向温差较大(如8.9 MPa、40℃工况时,最大径向温差达42℃);在初始压力几乎一样的情况下,工况2(初始压力8.88 MPa、初始温度33.5℃)初始温度虽大于工况1(初始压力8.8 MPa、初始温度26.5℃)初始温度,但2个工况最低温度都可达-70℃,这说明放空过程中管内最低温度不仅与初始温度有关,与初始温压条件下充装量及充装量差异引起的相变历程、相变吸热量有密切关系。研究结果为预防CO_(2)管道放空干冰堵塞或冻伤管道提供参考。

关键词： CCUS 二氧化碳管道放空泄放实验

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穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析

工程力学 2022年第9期39卷 242-256页

作者：余杨李振眠余建星孙文正刘晓伟马建东刘成天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津大学天津300350 天津市港口与海洋工程重点实验室天津大学天津300350

长输海底管道常不可避免地穿过地震断层,地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂,极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法 (VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为,首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计... 详细信息

长输海底管道常不可避免地穿过地震断层,地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂,极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法 (VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为,首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,提出适用壳单元的非线性管土耦合模型,然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题,编制了Fortran计算程序和相应后处理程序。通过文献对比证明了模型的正确性。开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟,分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响,结果表明:海底管道径厚比小,用钢等级高,周围土体强度低,具有更高的抵抗断层位移载荷能力;较低外压和平移断层联合作用下,管道变形呈S形,屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导,失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷,截面变形呈椭圆形;穿越角度越小,屈曲失效的临界断层位移越小;周围土体强度越高(砂土>黏土>淤泥夹砂),管道弯曲变形越严重,屈曲失效的临界断层位移越小;较高外压和平移断层联合作用下,屈曲失效由外压主导,主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃,然后发生屈曲传播现象;不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一,压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式。结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究。

关键词：海底管道屈曲失效向量式有限元管土耦合抗震设计

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海底管道边界条件类型及其对走管行为的影响

河北科技大学学报 2024年第2期45卷 198-206页

作者：张春会赵文豪田英辉王乐岳宏亮佘虹宇宋明洁河北科技大学建筑工程学院河北石家庄050018 河北省岩土与结构体系防灾减灾技术创新中心河北石家庄050018 墨尔本大学基础设施工程系维多利亚墨尔本3010 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300354

针对深海海底管道两端通常与井口、悬链线立管、器管收集器等相连,管道端部边界条件复杂的情况,为了探究不同的管道边界条件对走管行为的影响,将海底管道端部边界条件简化为3种类型,即类型Ⅰ两端水平力、类型Ⅱ一端水平力一端倾斜力和... 详细信息

针对深海海底管道两端通常与井口、悬链线立管、器管收集器等相连,管道端部边界条件复杂的情况,为了探究不同的管道边界条件对走管行为的影响,将海底管道端部边界条件简化为3种类型,即类型Ⅰ两端水平力、类型Ⅱ一端水平力一端倾斜力和类型Ⅲ一端弹性边界一端水平力,建立不同边界条件下海底管道走管数值模型,对比分析不同类型边界条件下海底管道走管行为。结果表明:类型Ⅱ边界条件与类型Ⅰ相比,随着管道端部拉力倾角增加,管道轴向拉力减小,走管量也减小,管道拉力倾角从0°增至60°,最大轴向拉力减小6.73%,走管率减小50%,这意味着悬链线立管形态改变,使得作用于海底管道的拉力方向改变,相应的海底管道走管量也随之改变;类型Ⅲ与类型Ⅰ边界条件相比,类型Ⅰ边界条件下海底管道走管率为恒值,随着升降温循环次数的增加,海底管道走管量近似线性增长;类型Ⅲ边界条件下海底管道走管率受器管收集器弹性刚度影响,弹性刚度越大,第1次升降温循环走管率越大;随着升降温循环次数增加,管道走管率快速衰减,直至为0,类型Ⅲ边界条件下多次升降温循环最终走管量通常小于类型Ⅰ。3类边界条件下海底管道走管行为差异很大,可为实际工程中分析海底管道端部边界条件类型、选定合适的边界条件提供参考。

关键词：海洋工程管道边界条件器管收集器倾斜拉力走管率

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