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海底管道—流体—海床相互作用机理和监测技术研究

吴钰骅  
【摘要】: 海底管道被称为海洋油气田开发的生命线工程,它的安全可靠运行是海上油气田正常生产的根本保证。本文以国家“863计划”子课题“长距离海底管道分布式光纤传感技术”(2001AA602022-1,2001AA602210-1)为依托,在海床液化、海底管道局部冲刷、悬跨海底管道涡激振动、海底管道结构—流体—土共同作用等方面进行了深入地研究;针对海底管道破坏因素,在开发长距离光纤传感系统的基础上,进行了静态和动态应变监测的标定试验。本文的主要研究内容有: 采用Biot动力固结有限元法对波浪荷载下海床土体的响应规律进行研究,分析了波浪荷载下超静孔隙水压力、有效应力的分布规律,提出了波浪荷载下均质弹性海床液化条件和液化深度计算方法。同时,研究了液化土体粘滞系数估算方法,探讨了海床液化对海底管道的影响。 设计了一种新型的海底输油管道水槽冲刷试验模型,研究海底管道与砂床之间存在不同间隙时砂床起动流速的变化规律,探讨了海底管道底砂床砂粒起动的机理,提出了微小间隙时海底管道局部冲刷起动流速的拟合公式。基于κ-ω模型提出了综合考虑近壁流速和湍动能的组合流速和修正Shields数,并据此分析了局部冲刷起动状态和发展过程,提出了相应的局部冲刷起动和局部冲刷平衡判断标准。 基于κ-ω模型分析了静止圆柱体在不同间隙比时的涡激力变化规律。认为间隙比的大小对涡激力频率影响相对较小,但对拖拽力和上举力的平均值和波动幅值影响较大。提出了拖拽力和上举力波动幅值随间隙比变化的拟合公式。建立海底管道流固耦合计算模型,分析了考虑流固耦合时海底管道结构涡激振动响应规律,提出了考虑流固耦合的涡激振动基频的计算方法。分析表明,海底管道振动各参量在横流向主要响应频率为流固耦合涡激力基频,而顺流向为基频的两倍。 基于Fluent软件进行二次开发,建立了海底管道结构-流体-土耦合振动的数值计算模型。根据数值模拟分析可知,海底管道相对于海水属于轻柔结构,结构固有阻尼较小时可能发生颤振,海底管道固有阻尼对抑制海底管道涡激振动有重要作用。海底管道固有频率与涡激振动基频越接近,从海流中吸收的振动能量就越大,管道振幅也越大。当海底管道固有频率与顺流向涡流激振频率相近时,管道涡激振动基频将发生迁移。当土体刚度较小时,土体刚度减小将使海底管道涡激振动幅值增大。当液化土体粘滞系数较高时,土体液化对管道涡激振动影响较小;当液化土体粘滞系数在10kPa/(m/s)左右时,土体液化对管道涡激振动具有抑制作用;当液化土体粘滞系数很小时,土体液化将使海底管道涡激振动幅值增大。 针对海底管道破坏因素,进行了长距离海底管道分布式光纤传感监测系统的静态试验和动态试验,探讨了其监测可行性和监测精度,并对不同铺设工艺下的测试值进行了标定,为该系统在实际工程中的应用做准备。


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