海底管道-流體-海床相互作用機(jī)理和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、海底管道被稱為海洋油氣田開發(fā)的生命線工程,它的安全可靠運(yùn)行是海上油氣田正常生產(chǎn)的根本保證.本文以國家"863計(jì)劃"子課題"長距離海底管道分布式光纖傳感技術(shù)" (2001AA602022-1,200lAA602210-1)為依托,在海床液化、海底管道局部沖刷、懸跨海底管道渦激振動(dòng)、海底管道結(jié)構(gòu)一流體一土共同作用等方面進(jìn)行了深入地研究；針對(duì)海底管道破壞因素,在開發(fā)長距離光纖傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的標(biāo)定試驗(yàn).本文的主要研究

2、內(nèi)容有: 采用Biot動(dòng)力固結(jié)有限元法對(duì)波浪荷載下海床土體的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究,分析了波浪荷載下超靜孔隙水壓力、有效應(yīng)力的分布規(guī)律,提出了波浪荷載下均質(zhì)彈性海床液化條件和液化深度計(jì)算方法.同時(shí),研究了液化土體粘滯系數(shù)估算方法,探討了海床液化對(duì)海底管道的影響. 設(shè)計(jì)了一種新型的海底輸油管道水槽沖刷試驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究海底管道與砂床之間存在不同間隙時(shí)砂床起動(dòng)流速的變化規(guī)律,探討了海底管道底砂床砂粒起動(dòng)的機(jī)理,提出了微小間隙時(shí)海底管道

3、局部沖刷起動(dòng)流速的擬合公式.基于足K-ω模型提出了綜合考慮近壁流速和湍動(dòng)能的組合流速和修正Shields數(shù),并據(jù)此分析了局部沖刷起動(dòng)狀態(tài)和發(fā)展過程,提出了相應(yīng)的局部沖刷起動(dòng)和局部沖刷平衡判斷標(biāo)準(zhǔn). 基于K-ω模型分析了靜止圓柱體在不同間隙比時(shí)的渦激力變化規(guī)律.認(rèn)為間隙比的大小對(duì)渦激力頻率影響相對(duì)較小,但對(duì)拖拽力和上舉力的平均值和波動(dòng)幅值影響較大.提出了拖拽力和上舉力波動(dòng)幅值隨間隙比變化的擬合公式.建立海底管道流固耦合計(jì)算模型,分

4、析了考慮流固耦合時(shí)海底管道結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律,提出了考慮流固耦合的渦激振動(dòng)基頻的計(jì)算方法.分析表明,海底管道振動(dòng)各參量在橫流向主要響應(yīng)頻率為流固耦合渦激力基頻,而順流向?yàn)榛l的兩倍. 基于Fluent軟件進(jìn)行二次開發(fā),建立了海底管道結(jié)構(gòu)一流體一土耦合振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型.根據(jù)數(shù)值模擬分析可知,海底管道相對(duì)于海水屬于輕柔結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)固有阻尼較小時(shí)可能發(fā)生顫振,海底管道固有阻尼對(duì)抑制海底管道渦激振動(dòng)有重要作用.海底管道固有頻率與渦激振

5、動(dòng)基頻越接近,從海流中吸收的振動(dòng)能量就越大,管道振幅也越大.當(dāng)海底管道固有頻率與順流向渦流激振頻率相近時(shí),管吳鈺驊:海底管道一流體一地基相互作用機(jī)理和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究道渦激振動(dòng)基頻將發(fā)生遷移.當(dāng)土體剛度較小時(shí),土體剛度減小將使海底管道渦激振動(dòng)幅值增大.當(dāng)液化土體粘滯系數(shù)較高時(shí),土體液化對(duì)管道渦激振動(dòng)影響較?。划?dāng)液化土體粘滯系數(shù)在10.kPa/(m/s)左右時(shí),土體液化對(duì)管道渦激振動(dòng)具有抑制作用；當(dāng)液化土體粘滯系數(shù)很小時(shí),土體液化將使海底管道

6、渦激振動(dòng)幅值增大. 針對(duì)海底管道破壞因素,進(jìn)行了長距離海底管道分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn),探討了其監(jiān)測(cè)可行性和監(jiān)測(cè)精度,并對(duì)不同鋪設(shè)工藝下的測(cè)試值進(jìn)行了標(biāo)定,為該系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用做準(zhǔn)備. 本文得到了國家"863計(jì)劃"子課題"長距離海底管道分布式光纖傳感技術(shù)" (2001AA602022-1,2001AA602210-1)和中國海洋石油總公司研究中心課題"BZ28-1海底管道可靠性評(píng)估"的支持