海底悬跨管线涡激振动实验方法探讨

随着我国海洋石油开采业的发展,海底悬跨管线涡激振动的研究越来越受到重视。本文总结了海底悬跨管线涡激振动的实验研究与进展,对海底悬跨管线的涡激振动实验方法、测试技术、分析方法以及实验中可能存在的难点问题进行了详细讨论和分析;给出了波流水槽内稳定流、波浪以及波流联合作用等条件下海底悬跨管线的涡激振动实验设计原则和方法,进行了海底悬跨管线的涡激振动实验设计,实验主要关注于涡激共振由一阶共振向二阶共振过渡的模态过渡特征以及过渡范围内管线的振动特征,目前实验已在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波流水槽中完成;最后,提出了相关的研究建议。     

冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动试验研究

为了给海底管线服役期间的安全评估提供科学依据,基于水弹性相似关系,对海底管线服役期间常见水流环境条件下,冲蚀地形上悬跨弹性海底管线涡激振动进行试验研究.采用粘贴于管线内壁的应变片测量振动过程中的应变.通过与平底地形上相关研究结果进行对比分析发现:冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动强度与振动频率均受到冲蚀地形的影响;振动强度随水流折减速度的变化比平底地形要快,在相对冲坑长(悬跨长)L/D为20与L/D为35时涡激振动强度的差别较平底地形上悬跨管线要小得多;管线垂向振动频率随冲蚀地形冲坑长度的减少而增大;冲蚀地形上悬跨管线周围的斯特劳哈尔数St在0.21左右.比相同雷诺数下平底地形上悬跨管线周围St数略大.     

黄茅海波-流共同作用下的三维悬沙数值模拟

针对黄茅海河口区波流相互作用显著、三维空间结构明显及泥沙运动复杂等特点,联合第3代海浪模式SWAN,建立了波流共同作用下的三维悬沙数学模型.在水流计算中,考虑了波浪产生的辐射应力影响,波浪依赖的表面风应力影响及波浪影响下的底部剪切应力,并采用k-kl紊流闭合模型提供垂向涡粘系数和垂向扩散系数.悬沙扩散方程中的源函数利用切应力法确定,泥沙沉降速度考虑絮凝作用,从而提高黄茅海悬沙场数值模拟精度.通过含沙量实测资料验证,模拟值与实测值符合较好.在模型验证的基础上,讨论了不考虑波浪与考虑波浪两种情况下黄茅海的悬沙分布特征,为工程实际研究提供了依据.     

爆破地震荷载作用下高密度聚乙烯波纹管动力响应试验研究

为研究爆破地震荷载作用下埋地高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）波纹管的动力响应规律，通过现场预埋管道的爆破试验，结合爆破地震与动态应变等测试手段，分析了爆破地震荷载作用下埋地管道的动力响应特征，研究了管道振动速度及动态应变的分布特征，基于von Mises屈服准则分析评价了管道安全性，提出了爆破振动速度控制标准。试验研究结果表明:试验中管道与地表振速以及管道动态应变随爆心距的减少，随炸药量的增加而增大；爆破地震波振动主频高，管道振动主频高于地表；相同爆破工况条件下，管道上方地表振速普遍大于管道振速；管道截面背爆侧峰值轴向应变以拉应变为主，迎爆侧峰值环向应变以压应变为主；本试验管道安全控制振速可取20 cm/s，此时管道处于安全状态。     

海底管道受坠物锚击损伤模型试验研究

为探索不同影响因素对锚击作用下海底管道的损伤规律,本文通过海底管道受坠物锚击作用损伤试验,研究了坠物质量、坠落高度、管道铺设条件、水深和坠物形状对海底管道机械损伤的影响。试验结果表明,管道的凹陷损伤与应变随坠物质量和坠落高度的增加而增加;在相同质量的立方体、球体和模型锚三种形状坠物作用下,球体坠物对管道的损伤最严重;管道的损伤程度随铺设的沙土厚度和水深的增加而降低;沙土层比硬土层可以更好地降低管道的损伤程度;在距撞击点50cm范围内,管道发生塑性形变。     

地震载荷工况下隧道内油气管道应力分析研究

为了了解隧道内油气管道在地震载荷工况下的应力分布情况,有必要对其进行应力分析。基于地震响应谱分析法,采用CAESAR Ⅱ软件建立了地震载荷工况下中缅某段隧道内油气管道的应力模型,对其进行应力分析,并校核了油气管道的位移、应力是否符合规范。分析研究了管道的最危险截面;计算出了危险弯管的应力比率,校核了应力允许值;分析得出,轴向地震作用与综合地震作用对管道影响较大,应重点校核管道的轴向地震与综合地震作用下的应力变化,并加强监测力度;通过对油气管道的位移校核得出,轴向地震作用与综合地震作用对隧道内油气管道的位移影响较大;地震作用下隧道内轴向位移较其他两方向位移较大,应重点监测。对斜管长度、覆土深度、管道内压等影响因素进行研究得出:架空段管道长度与倾角、地震烈度、管道运行温度与管道内压对穿越地震带隧道管道应力影响较大;而覆土段管道长度与倾角、覆土深度对管道影响较小。     

海底管线抗震设计的极限地震应力计算法

针对现用海底管线地震应力计算时存在的计算应力过大、管线几何参数和埋设深度对计算结果几乎没有影响等问题,在考虑了海底管线实际埋设环境的基础上,通过理论分析,给出了考虑地震时管线周围约束土壤进入塑性滑移状态后的极限地震应力计算方法,来计算海底埋设管线在地震作用下所产生的最大地震应力。用该新方法分析了一实际管线工程的地震应力,并通过与现用方法计算结果的比较,证明该方法克服了现用设计方法仅考虑管土之间为弹性约束、管线几何尺寸对抗震设计影响很小等问题,有效反映了实际铺设环境对海底管线地震应力的作用。本文应用极限地震应力计算法,结合工程实例计算,进一步明确了管线几何参数和埋设深度对极限地震应力的影响规律,为准确计算海底管线的地震应力、制定海底管线抗震规范、进行已服役海底管线的地震风险评估和寿命预测奠定了基础。     

波流场中的桩柱结构地震反应研究

采用理论分析及有限元模拟的方法, 对波流场中桩柱结构的地震动力反应进行了研究. 除考虑波流场作用在桩柱上的波流力和动水压力外, 根据模型试验结果认为还需考虑作用在 桩柱上的涡振横向力. 通过地震作用下波流场中四桩平台的有限元模拟计算, 发现 水中地 震放大了桩柱结构的动力反应; 波流力和涡振横向力共同作用导致桩的相对位移、剪力及弯 矩值大幅提高, 但是对桩身加速度影响较小; 桩底部位易于发生地震破坏.     

输气管道在走滑断层作用下的屈曲有限元研究

长输埋地管道是运输石油类能源最为重要的一种方式。对于埋地管线来说,由地震断层引起的走滑断层位移是影响管道完整性及安全运行的主要威胁之一。本文利用ABAQUS有限元软件通过模拟跨断层埋地管道在走滑断层位移下的变形屈曲响应,考虑了钢材和土体的非线性因素,并探讨了断层错动量、径厚比、内压、不同钢级材料等参数的影响。结果表明:走滑断层作用下管道的危险区域位于距断层面4m~6m左右处,而非断面与管道交汇处,并且管道内压在一定程度上缓解了管道局部屈曲现象,为跨断层埋地输气管道的设计和维护运营提供一些参考。     

河流油气管道动应力特性及悬跨安全性分析

近年来穿越河流的油气管道的爆管、泄漏事故频繁发生,因此对穿越河流悬跨油气管道进行力学特性分析及安全防控措施研究尤为重要.利用振动破坏准则求得悬跨管道的最大安全悬空长度.利用ABAQUS建立管道和土体的模型,基于流体动力学理论、管土耦合理论以及有限元理论,对河底输油管道的水平悬空段进行动应力研究,得到单跨悬跨管道的长度不得大于悬跨段的0.65,且在施加载荷过程中管道将先发生振动破坏,再发生屈服破坏.依据管道的最大悬跨长度,探索用钢结构支撑法解决管道悬跨长度过长的安全问题.     

带腐蚀Euler-Bernoulli海洋管道模型在海波激励下的振动分析

研究了考虑腐蚀和海生物附着作用的海洋管道在海波激励下的动力学响应．采用欧拉-伯努利梁模型建立细长海洋管道动力学模型，利用格林函数法得到了该受迫振动问题的稳态响应．首先，推导了未腐蚀且考虑海生物附着的海洋管道在海波激励作用下的动力学响应．其次在考虑腐蚀、海生物附着情况下，利用前面未腐蚀模型的解得到腐蚀管道的动力学响应解析解．最后进行了数值讨论，分析了不同腐蚀深度、不同生物质量对管道固有频率的影响．研究了三种输流截面面积相同的环（圆、矩形、三角）模型在同一海波激励作用下的稳态位移响应．分析了不同海波高度、不同海波数目、不同海洋深度及腐蚀深度对管道模型位移的影响；对比了未腐蚀和有腐蚀深度时，某点随时间变化的位移效果．研究结果对海波激励下的管道响应分析和保护具有重要意义．     

浅水区海底管道周围海床渗透压力计算研究

我国海上油田开采起步较晚,大部分油田处于浅水区,因此,在设计管道时,应充分考虑由浅水区波浪引起的管道周围海床渗流力。根据浅水波相关假设,考虑自由水面非线性影响,推导出椭圆余弦波的波面方程,在此基础上进一步得到一个关于速度势的表达式,并根据该表达式得出作用于海床表面的波压公式。考虑海床土的压缩性,推导出一阶近似椭圆余弦波作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力解析解,最后将计算结果与大型水槽试验及以往研究成果作对比。结果表明,在椭圆余弦波的作用下,由一阶椭圆余弦波理论得到的计算结果与试验结果规律基本一致,与相似工况下的现有理论成果数值基本相同,具有一定的可行性和工程价值。     

高饱和黏土中爆炸波作用下直埋聚乙烯管的动力响应

为了解决爆破作业对近距离埋地管道的安全评估问题，对高饱和粘土中爆炸波作用下聚乙烯(polyethylene, PE)管道进行了一系列管道动态响应的原型实验，得到了不同药量下管道动应变、动压力的实验数据和管体及地面的振速数据。实验结果表明:PE管动应变峰值同比例距离具有良好的幂函数衰减关系，在6～11 m/kg1/3比例距离范围内，PE管的环向峰值应变衰减指数（绝对值）比轴向峰值应变衰减指数大；管道动态响应的主振频率略高于土体的主振频率，两者在同一量级，管道合成速度衰减指数大体和管道轴向应变衰减指数相当；压电陶瓷片所测得的电压信号和同测点的应变变化率信号具有较强的相关性。高饱和黏性土由于含水量较高，近距离柔性PE管因受到局部冲击会产生较大的环向应变，管道安全计算时应充分考虑这一因素；随着比例距离的增大，环向应变水平降低，轴向应变水平相对增强；压电陶瓷片因为具有良好可靠的动态性能，作为埋地管道现场监测的技术手段值得采用和推广。     

海底管道的弹塑性稳定性和屈曲传播

本文根据我国南海海底输油气铺管的要求系统分析了海底管道在弯曲与外水压力共同作用下的弹塑性稳定性和屈曲传播.研究了管道的极值型屈曲和分枝型屈曲.在考虑管道的初始非圆度和材料的物理非线性的情况下提出了临界屈曲载荷的计算方法.综述和评论了屈曲传播现象的本质和各种计算方法.介绍了我们所进行的全尺寸管道实验.在分析理论结果时与现行的有关设计规程进行了比较和评论.     

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速（13.82 cm/s）可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。     

粉质黏土层预埋承插式混凝土管道对爆破振动的动力响应

为合理评价临近爆破施工振动作用对预埋在粉质黏土层承插式混凝土管道的影响，通过现场预埋多管节全尺寸管道的爆破试验，结合DH5956动态应变及TC-4850爆破振动等测试系统，研究了爆破振动作用下承插式混凝土管道动力响应特征，分析了管道管身及承插口动应变及振动速度空间分布规律；基于承插口允许转角规范及管身动态拉应变破坏准则，提出了承插式混凝土管道爆破振动速度安全判据。研究结果表明:爆破振动作用下管道管身及承插口之间存在不协调响应特征；爆破振动作用下管道承插口为管道最薄弱位置，爆破振动对承插式混凝土管道的影响应重点考虑承插口的失效；承插式混凝土管道爆破振动速度控制阈值为5 cm/s，结果可对类似地层中承插式埋地混凝土管道的保护起指导作用。     

Periodic wave patterns of two-dimensional Boussinesq systems

We prove the existence of a large family of two-dimensional travelling wave patterns for a Boussinesq system which describes three-dimensional water waves. This model equation results from full Euler equations in assuming that the depth of the fluid layer is small with respect to the horizontal wave length, and that the flow is potential, with a free surface without surface tension. Our proof uses the Lyapunov–Schmidt method which may be managed here, contrary to the case of gravity waves with full Euler equations. Our results are in a good qualitative agreement with experimental results.     

Generation of two-dimensional steep water waves on finite depth with and without wind

This paper reports on a series of numerical simulations designed to investigate the action of wind on steep waves and breaking waves generated through the mechanism of dispersive focusing on finite depth. The dynamics of the wave packet propagating without wind at the free surface are compared to the dynamics of the packet propagating in the presence of wind. Wind is introduced in the numerical wave tank by means of a pressure term, corresponding to the modified Jeffreys' sheltering mechanism. The wind blowing over a strongly modulated wave group due to the dispersive focusing of an initial long wave packet increases the duration and maximal amplitude of the steep wave event. These results are coherent with those obtained within the framework of deep water. However, steep wave events are less unstable to wind perturbation in shallow water than in deep water.Furthermore, a comparison between experimental and numerical wave breaking is presented in the absence of wind. The numerical simulations show that the wind speeds up the wave breaking and amplifies slightly the wave height.The wall pressure during the runup of the steep wave event on a vertical wall is also investigated and a comparison between experimental and numerical results is provided.     

Numerical flow models to simulate tuned liquid dampers (TLD) with slat screens

The tuned liquid damper (TLD) is increasingly being used as an economical and effective dynamic vibration absorber to mitigate the dynamic response of structures. In this paper the results of two numerical flow models of TLD behaviour are compared with experimental data. These include the free surface motion, the resulting base shear forces, and the energy dissipated by a TLD with slat screens. The importance of this experimental study is that it examines TLD behaviour over a large range of normalized excitation amplitude values, covering the practical range of serviceability accelerations for buildings subjected to wind loads and larger excitation amplitudes more representative of earthquake motion. In addition, the experimental results are used to assess the models for larger fluid depth to tank length values, and for the use of modelling TLDs equipped with multiple screens. For screens consisting of a number of thin plate slats, a method for determining the loss coefficient is presented, which is a required parameter for the models used in this paper. Findings indicate that the linear model is capable of providing an initial estimate of the energy dissipating characteristics of a TLD. The nonlinear model can accurately describe the response characteristics within the range of excitation amplitudes experimentally tested.