海底管道-流體-海床相互作用機理和監(jiān)測技術(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,它的安全可靠運行是海上油氣田正常生產(chǎn)的根本保證.本文以國家"863計劃"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、海底管道結(jié)構(gòu)一流體一土共同作用等方面進行了深入地研究；針對海底管道破壞因素,在開發(fā)長距離光纖傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進行了靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測的標定試驗.本文的主要研究

2、內(nèi)容有: 采用Biot動力固結(jié)有限元法對波浪荷載下海床土體的響應(yīng)規(guī)律進行研究,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算方法.同時,研究了液化土體粘滯系數(shù)估算方法,探討了海床液化對海底管道的影響. 設(shè)計了一種新型的海底輸油管道水槽沖刷試驗模型,研究海底管道與砂床之間存在不同間隙時砂床起動流速的變化規(guī)律,探討了海底管道底砂床砂粒起動的機理,提出了微小間隙時海底管道

3、局部沖刷起動流速的擬合公式.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狀態(tài)和發(fā)展過程,提出了相應(yīng)的局部沖刷起動和局部沖刷平衡判斷標準. 基于K-ω模型分析了靜止圓柱體在不同間隙比時的渦激力變化規(guī)律.認為間隙比的大小對渦激力頻率影響相對較小,但對拖拽力和上舉力的平均值和波動幅值影響較大.提出了拖拽力和上舉力波動幅值隨間隙比變化的擬合公式.建立海底管道流固耦合計算模型,分

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

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

6、渦激振動幅值增大. 針對海底管道破壞因素,進行了長距離海底管道分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)的靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗,探討了其監(jiān)測可行性和監(jiān)測精度,并對不同鋪設(shè)工藝下的測試值進行了標定,為該系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用做準備. 本文得到了國家"863計劃"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海底管道可靠性評估"的支持