基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。     

洪水作用下马惠宁穿越管道的应力分析

马惠宁管道沿线属于典型的洪灾易发区,洪水多次导致管道暴露悬空进而断裂,造成巨大的经济损失。本文以马惠宁管道为例,基于Morison方程建立了简化的力学模型,采用有限元仿真进行了静力学分析,对管道应力分布特点、极限悬空长度与极限洪水流速的相互关系,以及管道壁厚等影响因素进行了分析。据此确定最有可能发生失效的位置是出土端面和悬空管道中点位置,且应力与管道壁厚之间关系紧密,当管道径厚比超过55时,管道对洪水冲击的抗性非常小。在进一步的涡激振动分析中,得出管道最易发生共振现象的危险长度为20m。最后以快涨快消型洪水为例,通过隐式动力学分析法,对管道展开时程分析,探讨了静力学分析的局限性。基于以上结论,提出打桩固管的桩距标准:若悬空段长度不足20m,在管道1/2位置打桩;否则每隔10m打桩1个。     

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.     

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。     

地震和波流作用下海底悬跨管线模型实验研究

利用水下地震-波流联合模拟实验系统研究了海底管线在波浪、水流和地震作用下的动态响应特征。实验中考虑了有无地震作用、悬跨长度、波浪高度、水深、水流速度以及是否满管状态等因素。通过DDP动态数据后处理软件对实验结果进行处理分析,得到海底悬跨管道的动态响应特性。实验结果表明:在浅海海域,悬跨管线的动态反应受波浪及水深变化的影响不明显,悬跨长度是影响管道动态响应的主要影响因素;悬跨管线在地震与波流共同作用下的反应与仅地震作用下的应变存在差别;在波浪力作用下,空管时管线的应变要小于满管时的情况。     

水下悬跨输流管道动力稳定性的DQ解法

考虑水下粘弹性输流管道在管外流体附加阻尼、管内管外流体流动、管道轴向力、管内压强和流体质量比等因素的影响,尝试运用微分求积法对其涡激振动和流致振动的动力稳定性进行分析研究,通过算例分析说明DQ法用于水下管道悬空段的动力稳定性分析、疲劳分析、可靠性分析及设计是可行的,该方法具有原理简单、计算量少、易于编程实现、精度令人满意等特点,本文结论对于工程计算理论及工程应用具有参考价值.     

单跨架空索道货物脱钩跳跃弦振动响应分析

以单跨全悬增力式架空林业集材索道为例,研究在货物脱钩等突发情况下,承载索因积蓄的弹性能瞬间释放而产生自由振动. 基于弦振动理论,建立了在指定位置脱钩的悬索振动方程,分析了脱钩工况下悬索振动固有频率、周期、波长等特征参数及主振动、自由振动、总能量等响应变化规律,并以三维图形进行直观表征与分析. 说明了脱钩振动分析对林业架空索道的安装设计、技术改进与使用安全规程的指导意义.     

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。     

管土作用下海底悬跨管道裂纹断裂韧性研究

运用断裂力学相关理论,考虑管道接触的非线性、管道内压、水流载荷等因素的影响,基于ABAQUS有限元软件对含环向裂纹悬跨管道进行了分析,并考虑不同管土接触边界条件、不同土质及不同土体刚度对管道裂纹应力强度因子的影响,得出了相应的应力强度因子值。结果表明:以等效弹簧模拟管道和土体的接触更符合管道实际受力情况;土壤特性对悬跨管道环向裂纹应力强度因子有一定影响,较软土质应力强度因子大于较硬土质;管土接触边界对悬跨管道环向裂纹影响很大,不同接触边界的应力强度因子差值范围在25%～55%之间。     

沼泽地段输气管道应力校核及安全性分析

输气管道穿越沼泽地低洼地带,在自然下沉或浮力的作用下,易发生变形破坏。因此,需要在设计阶段对沼泽地段的管道进行应力和位移分析。本文根据某区管道的设计资料,建立了相应的应力分析模型,首次采用CAESAR II软件对沼泽地段输气管道进行了数值模拟。结果表明:对于下沉的管道,沉降量在5cm~10cm范围内时,沉降量对管道应力的影响较大(沉降量每增加1cm,应力值增大约30MPa),最高及次高应力均产生在过渡段与沼泽地段的交界处;对于上浮的管道,管道最大应力产生在管道过渡段,而不是沼泽地段。说明对于上浮管道,水浮力的作用可以降低过渡段与沼泽地段交界处的集中应力,且偶然载荷工况下的应力值最高,所以工程中建议:若管道处于上浮状态应重点对偶然上浮载荷工况进行分析。     

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。     

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。     

浅埋高压输气管道爆炸地面振动的原型试验与数值模拟研究

针对浅埋高压输气管道爆炸产生的地面振动效应,采用现场试验结合数值模拟的方法展开研究。组织实施了全尺寸天然气管道爆炸试验,掌握了高压输气管道爆炸地面振动的量级范围以及衰减规律。经试验数据分析得到,埋地高压天然气管道爆炸造成的地面振动主要产生于物理爆炸过程中,随后发生的天然气爆燃过程并未产生明显的地面振动。基于非线性有限元程序 LS-Dyna建立了高压输气管道爆炸试验计算模型,计算结果与试验现象吻合较好,验证了模型参数设计的合理性。进一步分析了管道爆炸瞬间管内气体-管壁-土体的相互作用机理、应力分布以及裂纹扩展规律。由计算结果分析得到,管道开裂是由于内部高压气体推动管壁向两侧扩展在裂纹尖端处形成了应力集中,管壁冲击土体的速度可达50 m/s,冲击产生的塑性状态向远处传播逐渐衰减为弹性应力波,即形成了地面振动效应。研究成果揭示了高压气体管道爆炸地面振动的主要成因,可为爆炸事故振动预防提供理论参考和技术支持。     

埋地管道随机振动的摄动分析

埋地管道的材料特性和沿线的土壤性质存在差异，对这种差异性采用随机参数描述有一定的合理性，因此在管道的随机振动分析中考虑结构参数的随机性是必要的，对于管道的抗震设计具有现实意义。对于在空间相关的地震地面随机激励下的埋地管道，将结构参数看作是随机变量，采用摄动分析法，推导了随机响应的相关函数和功率谱密度函数的解析表达式，大大方便了工程应用。针对某输油管道，给出了计算结果。     

DRIVING FORCE AND DEFORMATION ANALYSIS FOR DYNAMIC CRACK PROPAGATION IN GAS PIPELINES UNDER DIFFERENT BOUNDARY CONDITIONS

In the light of a growing need for fracture control of rapid crack propagation(RCP)ingas pipelines,a program PFRAC(Pipeline FRacture Analysis Code)has been developed to analysethc various events.In this paper,by using PFRAC for the simulation of axial crack propagation in gaspipelines,a number of dynamic analysis issues rclating to boundary effects for uncracked and crackedpipes are investigated.This indicates that the boundary conditions along the length of the pipe play animportant role for fracture analysis in the pipe.In contrast.the boundary condutions at thc ends of along pipeline have little effect on the dynamic fracture events.     

Effect of gas pulsation on long slugs in horizontal gas–liquid pipe flow

Long liquid slugs reaching a length of several hundreds of pipe diameter may appear when transporting gas and liquid in horizontal or nearly horizontal pipelines. These long slugs may cause system vibration, separator flooding, and operational problems for the downstream processing facilities. Although mainly short hydrodynamic slugs have been observed in offshore gas and oil production fields over the past years, the appearance of the long slugs is becoming more common as many production fields are now more mature and reach end of field life, giving reduced production rates and reduced operational pressure.     

SELECTION OF OBJECTIVE FUNCTIONS AND APPLICATION OF GENETIC ALGORITHMS IN DAMPING DESIGN OF PIPE SYSTEM

The vibration failure of pipe system of aeroengine seriously influences the safety of aircraft. Its damping design is determined by the selection of the design target, method and their feasibility. Five objective functions for the vibration design of a pipeline or pipe system are introduced, namely, the frequency, amplitude, transfer ratio, curvature and deformation energy as options for the optimization process. The genetic algorithms (GA) are adopted as the optimization method, in which the selection of the adaptive genetic operators and the method of implementation of the GA process are crucial. The optimization procedure for all the above objective functions is carried out using GA on the basis of finite element software-MSC/NASTRAN.The optimal solutions of these functions and the stress distribution on the structure are calculated and compared through an example, and their characteristics are analyzed. Finally we put forward two new objective functions, curvature and deformation energy for pipe system optimization. The calculations show that using the curvature as the objective function can reflect the case of minimal stress, and the optimization results using the deformation energy represent lesser and more uniform stress distribution. The calculation results and process showed that the genetic algorithms can effectively implement damping design of engine pipelines and satisfy the efficient engineering design requirement.     

Fluid-induced vibration of composite natural gas pipelines

Advancements in materials bonding techniques have led to the use of reinforced composite pipelines. The use of steel pipe with a fiber-reinforced composite over-wrap together has produced an exceptionally strong pipe with positive advantages in weight and corrosion resistively. Understanding the dynamic characteristics of this kind of sub-sea composite pipelines, which often accommodate axial flow of gas, and prediction of their response is of great interest.This paper presents a state-variable model developed for the analysis of fluid-induced vibration of composite pipeline systems. Simply supported, clamped and clamped-simply supported pipelines are investigated. The influence of fluid’s Poisson ratio, the ratio of pipe radius to pipe-wall thickness, laminate layup, the ratio of liquid mass density to pipe-wall mass density, the fluid velocity, initial tension and fluid pressure are all considered. The results of our proposed methodology are compared with those of finite element analysis, using ANSYS software.     

清管载荷作用下输气管道安全落差研究

山地天然气管道局部落差和坡度大,在清管过程中易在清管器冲击载荷作用下发生屈曲和应力超限.基于有限元方法研究了考虑管-土耦合作用的大落差管段清管过程非线性动力学特征,分析了清管器运行速度、管道坡度、清管器-管内壁间摩擦系数对管道受力和位移的影响,得到了不同坡度、摩擦系数条件下极限清管运行速度和最大高程差.结果表明:清管器...     

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/kg^1/3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。