杭州湾海底管道滩海施工技术浅谈

杭州湾海底管线长达53.5公里,是我国在强潮流区海湾建设的第一条大口径的长输原油管道。本文以Φ762mm管道的铺设为例,就杭州湾南岸滩海海底管道施工的关键工序、施工工艺和海底管道自埋技术的应用进行了介绍。文章还对工程施工中应注意的一些问题进行了探讨。     

基于灰色理论的海底管道腐蚀剩余寿命预测方法

以灰色理论的基本模型为基础,探讨了灰色模型的改进方法.分析了海底管道腐蚀因素与腐蚀量之间的规律以及应用灰色理论进行剩余寿命预测的可行性.提出了基于灰色理论的海底管道剩余寿命预测方法.利用灰色理论预测腐蚀海底管道剩余寿命的步骤主要包括:最小允许厚度的确定,腐蚀速率的预测以及剩余寿命预测.利用该方法,可以在测量数据很少的情况下预测海底管道的剩余寿命.     

双层海底管道隆起屈曲参数分析

海底管道在铺设安装过程中可能因为操作不当,使得管道在海底时存在局部的初始隆起.管道初始局部缺陷是诱发海底管道产生屈曲的潜在因素.管道轴向压力是导致海底管道发生屈曲的主要原因.当海底管道在高温载荷下工作时,管道将会由于温度变化引起轴向力的增大而发生隆起屈曲.对于双层管道来说,内管与外管之间的相互作用是非常复杂的,双层管的复杂结构导致其整体屈曲理论分析十分困难,因此提出了一种有限元模型,该模型利用管中管技术分析具有初始缺陷管道的隆起屈曲问题.基于该模型开展了参数分析,得到了管道初始不直度和环隙对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势.同时这些计算结果对我国实际工程项目中的双层管隆起屈曲分析具有一定的参考价值.     

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.     

应急抛锚状态下拖锚对海管的撞击损伤

为了分析拖锚对海底管道的撞击损伤情况,运用ABAQUS软件,对应急抛锚情况下拖锚与海底管道进行建模。选取最危险的锚尖与管道正撞情况进行了数值模拟,根据碰撞后管壁的凹痕深度与管道外径的比值,对海底管道进行安全校核;同时选取了不同管壁厚度和管道长度进行了计算比较,得出了拖锚撞击损伤程度随海底管道的壁厚和管道长细比的增加而减小。最后将DNV规范计算结果与有限元数值模拟结果进行对比,发现规范计算值明显偏大。研究成果对分析海底管道受拖锚撞击损伤的变形规律、海底管道的设计及修复具有一定的实用意义。     

海底管道抗震分析软件的开发与应用

海底管道的建设往往需要考虑地震和断层的影响,但是目前主要还是参考陆地管道抗震规范,其计算结果与海底管道工程实际存在较大的差距。为提高海底管道应力(应变)分析精度,基于管道-土体之间的相互作用建立了海底管道抗震分析方法,采用C语言和MATLAB平台开发了海底管道抗震分析软件,既可以进行海底管道的地震反应分析、穿越断层分析和弹性时程分析,又可以绘制海底管道的应力-应变曲线、地震波时程曲线和管道时程分析曲线,具有通用性强、交互方便、快速易用等特点,为海底管道的设计、施工提供了技术支持。     

服役海底管道钢疲劳可靠性试验与海底管道寿命预测

针对波浪力下海底管道悬空段的疲劳寿命问题,从某服役X60钢海底管道悬空段上取样进行拉-拉成组多级疲劳试验,获得服役X60钢海底管道试件在不同应力水平下的疲劳寿命及其概率统计分布,利用参数假设检验法确定X60钢管道试件的疲劳寿命分布特征,由此外推出不同存活率下的疲劳对数寿命与等效循环应力之间的线性关系式.通过引入"疲劳极限复合修正系数"和"等价非对称循环度系数"对X60钢试件的P-S-N曲线进行修正,得出X60钢海底管道悬空段的疲劳寿命预测公式.结合试验结果分析表明:X60钢海底管道试件的疲劳寿命服从对数正态分布;疲劳对数寿命与等效循环应力之间近似为线性关系;海底管道疲劳寿命预测公式计算结果与试验数据吻合良好.     

高温高压下海底管道水平向整体屈曲研究现状分析

海底管道水平向整体屈曲是深海油气管道安全性设计及稳定性分析的重要组成部分.伴随着全球深海油气资源的开发,海底管道水平向整体屈曲问题备受关注,近40年中取得了重要的研究进展.本文详述了海底管道水平向整体屈曲的发生机理及研究发展历程.分别从整体屈曲的理论研究、管土相互作用及管道热屈曲模型试验、整体屈曲数值模拟方法、整体屈曲防护措施及工程应用等几方面,阐述了高温高压下海底管道水平向整体屈曲的研究成果,并提出了今后的研究方向.     

基于分布浮力式的海底管道侧向屈曲控制优化

不加控制的侧向屈曲严重威胁深海油气输送管道的安全运行.分布浮力式海底管道侧向屈曲控制技术中,各个分布浮力模块对管道系统有效轴向载荷有较强的耦合作用,必须进行合理设计.为提高对管道系统侧向屈曲的控制效果,基于弹性解析模型,对大尺度海底管道系统侧向屈曲分布浮力式控制技术中浮力模块的设计参数以及布置方案进行了优化设计.算例结果表明,优化设计方案通过合理设计分布浮力模块参数以及布置方案,减少了管道系统侧向屈曲长度,降低了整体的有效轴向载荷,使侧向屈曲位移得到了较好的控制,为优化设计方法在海底管道工程中的应用提供了参考.     

海底管道可靠性设计方法及施工程序编制方法

管道本身的缺陷是影响海底管道安全的主要原因,所以,对管道的评估是保证海底管道安全的重要举措,其次,施工的设计方案是影响海底管道安全的一大问题,保证管道施工的可靠性设计方法是解决海底管道安全的直接保障。本文主要对海底管道缺陷评估与可靠性设计方法和施工程序方法进行探析,寻找对海洋管道施工安全的可行方法。     

裂纹参数对深水海底管道疲劳寿命的影响

分析海底管道在运行期间产生缺陷的类型,并统计了近几年发生的海底管道事故的原因,发现裂纹缺陷的出现是引发这些管道事故的首要原因.裂纹缺陷会引发管道泄漏甚至断裂.针对裂纹缺陷对海底管道疲劳寿命的影响,考虑断裂力学的相关理论,运用ANSYS有限元软件对管道所受的载荷情况、管壁上裂纹的长度、深度等参数进行了敏感性分析,研究了各参数对管道疲劳寿命的影响规律,并得出了管道失效的主要原因.仿真结果表明:载荷区间、裂纹长度、深度变化都会对管道的疲劳寿命产生较大的影响,其中裂纹深度的变化是管道疲劳寿命的主要影响因素.分析结果可以为海洋工程实际提供参考.     

光纤传感技术在海底管道泄漏监测方面的应用

海底管道作为海上油气运输的重要设施,一旦发生泄漏事故,不仅会造成巨大的经济损失和环境污染,还会造成重大的社会影响,因此亟需一种在线监测技术来对海底管道进行实时在线监测。针对目前对海底管道因腐蚀和第三方破坏等造成海底管道泄漏无法进行实时监测和定位的问题,开发了基于光纤传感技术的泄漏监测系统。通过实际应用,该系统能够有效地进行海底管道泄漏监测。     

海底埋地管道启输计算模型的建立

目前的海底埋地输油管道启输计算模型没有具体分析海水本身自然对流换热对管道启输的影响,启输计算模型能否应用于海底埋地输油管道启输计算需要实际投产来验证.因此急需研究海底输油管道预热计算模型满足海上油田开发的需求.对海底埋地输油管道进行了传热分析,建立了海底埋地输油管道三维物理模型,分析了海水本身自然对流换热对管道启输的影响情况.通过处理物理模型将管道启输传热模型简化为一维圆环传热模型,并进行了模拟计算和试验验证.模拟计算和实验研究对比表明:①当海水底流流速小于1.5m/s时,在此区域内海水自然对流换热对海底输油管道传热影响可以忽略不计.②海底输油管道正常矩形散热区域转换为圆环区域后其散热量基本不变,可见海底输油管道转化为一维模型是可行的.③在验证稳定状态沿程温降的过程中,发现各个测温点的绝对误差不超过0.1℃,说明该启输计算方法具有很高的置信度.     

海底管道允许悬空长度计算研究

海底管道中的悬跨段在波和流的联合作用下极容易发生疲劳和局部屈曲破坏.而悬空管道的长度是影响破坏的关键因素.本文针对管道悬空的允许长度,考虑涡激振动带来的疲劳损伤等情况,利用涡激振动响应模型和Miner疲劳累积损伤准则,分别从动态临界跨长,疲劳筛选临界跨长,疲劳损伤临界跨长和极限状态临界跨长四个方面进行计算.应用Matlab编制计算软件,进行实例计算,获得不同状态条件下海底管道允许悬跨长度,可为海底管道的设计与安全性的评估提供参考.     

含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟

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载荷的近似计算公式,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．     

深海S-lay铺设大直径薄壁管道的奇异摄动分析

文中利用奇异摄动理论得到了深海管道S-lay铺设过程中的构型解析解,并研究了不同张紧力、水深以及海流力对管道构型及弯矩的影响.同时,采用有限元法对深海大直径管道铺设过程进行了数值仿真,并与奇异摄动解进行了对比和验证.理论结果表明:其他参数相同时,适当增大张紧力可使管道构型更平缓,对铺管有利;海水越深,管道的构型越陡,靠近海底处管道的弯矩峰值越大,对铺管不利;当管道受到与铺设方向相反的海流力时,海流力越大,靠近海底部管道弯矩的峰值越大,对铺管越不利.     

波浪条件下海底管线与沙质海床间的相互作用

海底管线的稳定性问题是海底管线设计的关键问题之一.通过大型通用有限元软件ABAQUS,应用较为简单的线弹性模型,对海床采用平衡地应力、简化渗流力的方法,建立海底管线模型,初步模拟近海埋置管道与海床之间的相互作用,分别计算了管道在自重和简谐波浪荷载作用下的管道变形及受力状况.计算结果显示,管道自重造成的屈曲对管道的稳定性影响不大,但管道屈曲是破坏海底管道稳定性的最直接的重要原因之一,由于管道自身的屈曲,沿管道截面圆周上各点的位移差比管线整体位移小2个数量级.在自重和波浪荷载两者的共同作用下,管道受土体的挤压,产生较大的弯曲和较小的侧向扭曲,最大弯曲变形比自重作用下的管道最大变形小1个数量级,侧向扭曲位移较弯曲位移小2～3个数量级.     

砂土海床海底管道贯入的数值模拟

为预测砂土海床海底管道贯入深度,在ABAQUS下建立了砂土海床海底管道贯入的耦合欧拉-拉格朗日有限元模型,模拟海底管道在风浪流及自重等荷载作用下贯入砂土海床的过程,研究了管-土界面摩擦系数、砂土内摩擦角、剪胀角及弹性模量对管道贯入深度的影响。结果表明,在海底管道贯入过程中,管道两侧海床隆起,在海床土体内形成了自管道底部延伸至海床表面的连续滑动面,砂土破坏表现为整体剪切破坏形式;管-土界面摩擦系数、砂土内摩擦角及剪胀角均会影响砂土海床海底管道贯入深度,其中砂土内摩擦角对海底管道贯入深度影响最大,而砂土弹性模量则对海底管道贯入深度没有显著影响。海底管道贯入阻力随管-土界面摩擦系数、砂土内摩擦角和剪胀角增加而呈幂函数增大。所提海底管道贯入深度预测公式考虑了管-土界面相互作用和砂土力学特性的影响,能准确预测砂土海床中管道的贯入深度,可为砂土海床海底管道在位稳定性评估提供基础数据。     

全压力平衡式海底管道开孔机设计

为满足国内海底管道开孔和管道维修的需求,进行了海底管道开孔机的研制。因为海洋管道开孔机要满足海底开孔作业要求,故重点研究了三种压力平衡方式用于开孔机的压力平衡设计,即活塞式、波纹管式和胶囊式压力平衡方法,并且通过研究比较选择了胶囊式压力平衡方法,对全机进行了压力平衡设计,胶囊式压力平衡可同时满足海底和陆上的开孔环境要求。通过开孔机实验,开孔机工作正常,平衡压力效果满足设计要求。     

基于WS-LSTM的海底管道剩余寿命预测

海底管道处在一个恶劣且不可接触的环境中,它的安全运行受到诸多挑战.为了保障海底管道的安全稳定运行,需对其剩余寿命进行预测,但传统的海底管道剩余寿命预测过多依赖专家经验且预测精确度较低.为了使海底管道剩余寿命预测的精确度进一步提高,本文提出基于WS-LSTM的剩余寿命预测方法,即基于小波变换(wavelet transform,WT)和堆叠自编码器(stackedauto-encoder,SAE)的长短期记忆网络(longshort-termmemorynetwork,LSTM)的剩余寿命预测方法.通过与LSTM和GRU(gatedrecurrentunit)两种剩余寿命预测方法作对比,基于WS-LSTM的剩余寿命预测方法在各项评估指标中均有提升.