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《大连理工大学》 2008年
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波浪作用下海底管线及周围海床动力响应分析

曲鹏  
【摘要】: 海底管线是目前最为经济、高效地由近海油田向陆地输送石油和天然气的工程设施,在海洋石油工程中具有广泛的应用。在设计管线时所考虑的环境荷载中,波浪荷载是主要的环境因素之一。当波浪在海面传播时,会引起海床表面周期性变化的波压力,海床表面的波压力进一步传递到海床中,在海床中引起超静孔隙水压力和附加有效应力,改变了海床中有效应力的分布。因此,为了合理地评价海底管线在波浪作用下的稳定性,必须考虑波浪荷载在管线周围海床中所引起的动力响应及其对管线自身内部动应力的影响。迄今为止,在海底埋置管线的稳定设计中,大多是基于经验性的结果,还没有发展一个更加合理、完整的设计方法。在海底管线设计中存在的一个关键性问题就是准确地计算由波浪所引起的海底管线附近海床中的超静孔隙水压力和管线内应力。 本文考虑管线的柔性,分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程,进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,基于有限元方法建立了海床-管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过计算发现土-管之间的接触效应对波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力影响很小,但对波浪所引起的管线内应力影响显著。惯性力效应对波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力具有一定影响,但对波浪所引起的管线内应力影响很小。管沟尺寸对于管线内应力具有显著影响。管沟形状对管线附近海床中由波浪所引起的超静孔隙水压力及管线内应力均有显著影响。 目前大多数研究只是考虑了管线、海床在线性推进波作用下的响应,没有考虑波浪非线性对于管线及其周围海床响应的影响,也没有考虑立波波浪荷载作用下管线及其周围海床响应。本文基于Biot动力固结理论及弹性动力学理论列出多孔海床及海底管线的有限元方程,并采用接触摩擦理论考虑管线与海床之间的相互作用效应,基于有限元方法研究非线性波浪作用下海底埋置管线和多孔海床相互作用问题。数值计算结果表明,在计算中如果忽略波浪非线性项,既有可能低估海底管线内应力及管线周围海床中超静孔隙水压力,也有可能高估海底管线内应力及管线周围海床中超静孔隙水压力。这取决于波数、水深、波长及波高等波浪要素。相同波浪参数条件下,立波和推进波所引起的管线内应力及其周围海床中超静孔隙水压力分布有很大差别。对于立波波浪,如果忽略波浪非线性项,甚至会得到正负符号与实际情况完全相反的计算结果。 本文应用重复性原理提出一种二维有限元模型来研究波浪引起的埋置管线及其周围海床土体响应问题。此模型认为海床土体为多孔弹性介质,管线为弹性介质,采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应;重点考察上覆层宽度、深度和倾角等因素对于波浪引起的埋置管线内应力及其周围海床土体中超静孔隙水压力的影响。研究发现随着上覆层宽度的增大,由波浪所引起的管线外表面超静孔隙水压力和管线内部的剪应力增大,而管线内部的径向正应力、环向正应力减小。随着上覆层厚度和上覆层倾角的减小,由波浪所引起的管线外表面超静孔隙水压力增大;随着上覆层厚度和上覆层倾角的增大,由波浪所引起的管线内部的径向正应力、环向正应力均增大,而管线内部的剪应力减小。 本论文将不排水条件下的超静孔隙水压力增长模式引入到二维固结方程中,对于管线附近海床建立了推广的带有超静孔隙水压力累积源项的二维固结方程。基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解,得到波浪作用下海床中累积超静孔隙水压力的发展过程与变化规律。通过变动参数对比计算讨论了海床土性参数、波浪参数和管线几何尺寸对由波浪所引起的管线周围海床中累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比分布的影响。通过计算分析可以发现,土的变形模量、渗透系数和波松比等土性参数对由波浪所引起的管线周围海床中的累积超静孔隙水压力具有显著影响:随着土的变形模量、渗透系数和波松比的减小,由波浪所引起的海床中的累积超静孔隙水压力均增大。海水深度、波浪高度、海床厚度等因素也会对由波浪所引起的管线周围海床中的累积超静孔隙水压力比产生显著影响:随着海水深度和海床厚度的减小、波浪高度的增大,由波浪所引起的海床中的累积超静孔隙水压力比增大。另外管线半径和管线埋深对管线附近海床中的累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比影响规律较为复杂;但在距离管线一定距离之外的海床中,管线半径和管线埋深对海床中累积超静孔隙水压力及累积超静孔隙水压力比的影响非常小。 室内模型实验和现场观测均已发现波浪引起的海床超静孔隙水压力存在瞬时和累积两种响应,已有工作大多只单独研究其中的一种超静孔隙水压力响应机理。本文将波浪引起的振动超静孔隙水压力与海床的变形和固结紧密结合起来,将不排水条件下超静孔隙水压力增长模式引入Biot动力固结方程中,提出一种新的适用于海床液化问题的二维有效应力分析方法,进一步对波浪作用下海底管线周围海床中瞬时和累积超静孔隙水压力的发展过程与变化规律进行了有限元模拟与分析。根据所估算的超静孔隙水压力,对波浪作用下管线周围海床的液化势进行了评价。通过计算分析可以发现,在较浅区域海床中,瞬时超静孔隙水压力有可能对于海床液化起主导作用;相对于较深区域海床,较浅区域海床更易发生液化;海床土土性参数、波浪要素以及管线几何参数对由波浪所引起的管线周围海床中的超静孔隙水压力均具有显著影响。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TV139.2;P756.2

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张小玲;地震作用下海底管线及周围海床动力响应分析[D];大连理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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9 刘洪涛;蔡元浪;;谱技术在裙桩套筒疲劳分析中的应用[A];第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上)[C];2011年
10 李青峰;程永舟;汪文诚;潘昀;;破碎波作用下沙质海床的孔隙水压力变化梯度[A];第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(中)[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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5 赵晶瑞;经典式Spar平台非线性耦合动力响应研究[D];天津大学;2010年
6 陈团海;老龄平台结构完整性动态评估与风险控制[D];中国石油大学;2011年
7 崔贺;明渠湍流特性及底沙输移规律[D];天津大学;2012年
8 李少华;海洋平台水动力系数反演方法及实验研究[D];湖南大学;2010年
9 曹友杰;河南郑东新区可液化土的特征及抗液化措施研究[D];中国地质大学(北京);2012年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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7 陈海明;深水立管束涡激振动分析和数值模拟[D];中国海洋大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张志勇;海洋工程发展环境分析与市场投资预测[J];船舶工业技术经济信息;2005年01期
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10 余建星,罗延生,方华灿;海底管线管跨段涡激振动响应的实验研究[J];地震工程与工程振动;2001年04期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
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2 孙丽;光纤光栅传感技术与工程应用研究[D];大连理工大学;2006年
3 王国兴;海底管线管跨结构涡致耦合振动的数值模拟与实验研究[D];中国海洋大学;2006年
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6 武科;滩海吸力式桶形基础承载力特性研究[D];大连理工大学;2007年
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 万良勇;不同类型孔隙水压力的动力效应研究[D];西安理工大学;2002年
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3 李磊岩;海底管线管跨段动力响应分析及其实验研究[D];中国海洋大学;2004年
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6 陈雷;海洋输液管道的涡激振动响应分析及实验研究[D];中国海洋大学;2006年
7 任大朋;深水立管涡激振动的耦合模拟及抑制方法研究[D];大连理工大学;2006年
8 张小玲;三向非均等固结条件下密实粉煤灰动力变形特性的试验研究[D];大连理工大学;2007年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 赖文龙;地震灾害下跨接管结构的响应分析[D];上海交通大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
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1 栾茂田;曲鹏;郭莹;杨庆;范庆来;;波浪作用下孔隙海床-管线动力相互作用分析[J];海洋工程;2007年02期
2 白玉川;杨细根;冀自青;戚晓明;;波浪条件下海底管线与沙质海床间的相互作用[J];天津大学学报;2011年01期
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7 王晶;李志军;GONCHAROV V K;KLEMENT’EVA N YU;;渤海海底管线溢油污染预测模型[J];海洋环境科学;2007年01期
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10 刘小丽;贾永刚;邢英;;埕岛油田海底管线在位稳定性的计算分析[J];中国海洋大学学报(自然科学版);2010年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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8 王凤云;赵冬岩;王琮;;关于海底管线挖埋深度的规范标准研究[A];第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上)[C];2011年
9 吴春勇;王清;;软土地基中沉桩引起的超静孔隙水压力研究[A];中国地质学会工程地质专业委员会2006年学术年会暨“城市地质环境与工程”学术研讨会论文集[C];2006年
10 王立忠;潘冬子;;波浪荷载作用下粉质海床孔压增长的数值分析及试验研究[A];第二届全国岩土与工程学术大会论文集(下册)[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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3 王疆戈;杭州湾海底管线全面建成[N];中国石化报;2004年
4 ;水下维修装备技术的新突破[N];科技日报;2006年
5 何平;中国海油实现天然气海底管线“世界第一穿”[N];光明日报;2008年
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7 王进;宝钢采油钢管获重大突破[N];中国质量报;2008年
8 银言;海底管线电缆检测与维修装置[N];中国船舶报;2008年
9 唐伟;中国石化创建浅海海底管线电缆检测与维修装置[N];科技日报;2007年
10 王疆戈;甬沪宁管网建设取得重大进展[N];中国石化报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曲鹏;波浪作用下海底管线及周围海床动力响应分析[D];大连理工大学;2008年
2 潘冬子;波浪荷载作用下海床及管线的动力响应研究[D];浙江大学;2007年
3 远航;波浪作用下埕岛油田海底管线稳定性数值分析[D];中国海洋大学;2009年
4 韩艳;海底管线的冲刷与导流防护技术研究[D];中国海洋大学;2010年
5 贾宁;软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理研究[D];浙江大学;2004年
6 刘占阁;波浪作用下海床累积孔隙水压力响应与液化分析[D];大连理工大学;2008年
7 丁鹏;海底管线安全可靠性及风险评价技术研究[D];中国石油大学;2008年
8 沙勇;悬跨海底管线动力响应试验与数值研究[D];大连理工大学;2007年
9 杨立鹏;波浪作用下的海底管线冲刷与防护技术研究[D];中国海洋大学;2012年
10 王忠涛;随机和非线性波浪作用下海床动力响应和液化分析[D];大连理工大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 宋岩新;砂质海床上海底管线稳定性的数值分析[D];大连理工大学;2008年
2 仇正中;波浪对海底管线作用的数值模拟[D];大连理工大学;2011年
3 李彪;海底管线水平向整体屈曲低阶模态研究[D];天津大学;2012年
4 宣凯;抛锚作业对海底管线损害研究[D];大连海事大学;2012年
5 刘成祥;斜向波流作用下海底管线周围流场及管道受力分析[D];长沙理工大学;2012年
6 何旭;考虑管土作用海底管线涡激振动数值分析[D];大连理工大学;2011年
7 李士清;海底管线仿生防护技术研究[D];中国海洋大学;2005年
8 庄玉石;海底管线在波浪作用下的风险分析和安全评价[D];大连理工大学;2011年
9 田辰;海底管线疲劳寿命评估方法研究[D];天津大学;2004年
10 曹宏生;水工建筑物波浪荷载分析研究[D];河海大学;2005年
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