马冬霞[1]2000年在《悬跨海底管线动力反应分析和振动控制理论研究》文中指出目前，海底管线作为生命线工程之一，由于其所处环境条件的恶劣、边界条件的复杂，其安全性正受到各方面的威胁。地震作用下管线的强度破坏是要解决的重要问题，波浪升力下管跨疲劳颤振也时刻威胁着悬跨管线的安全。从振动控制的角度来分析管线动力反应和提出合理地振动控制方法和措施是讫待解决的问题。 本文建立了悬跨管线两点输入地震动时管线动力反应分析模型，模型考虑了地震动沿管跨的传播。算例分析了不同跨长的管线动位移时程和动应力时程。得出管线的反应与输入地震动频谱密切相关，通过确定管跨的频率来确定管跨的跨长。 本文建立了悬跨管线波浪升力颤振下管线动力反应分析的模型，详细阐述了管跨疲劳评价的过程，算例分析了管跨颤振的反应大小和影响因素，计算了其累积疲劳损伤。在上述两个动力模型方程的求解中，引入Rayleigh阻尼大大简化了动力方程的求解。 研究结果表明，控制悬跨振动的关键问题是控制悬跨的长度。并提出了三步两水平管跨控制新概念，由第二跨长确定控制管跨的长度，进一步提出振动控制的方法。
左华伟[2]2002年在《现役海底输油管线的可靠度分析与维修决策》文中进行了进一步梳理海底管线是海上油气田的生命线，它的安全与否直接关系到整个油气田的生存。目前，对于海底管线的研究已经从设计、施工、检测、维修等各个方面展开，并取得了一定的成果。但是，对于现役海底管线来说，由于其所处海洋环境的复杂多变，在经过一段时间的服役后，工作状态发生变化，这时就要验算其在设计基准期内的剩余时间里，还能否完成预定的功能。即结构是否发生破坏，是否需要维修，以及做出维修决策的依据等都还是一个新生领域，需要进一步的研究。本文利用可靠度理论展开对海底管线在这一方面的研究，从可靠度的角度研究海底管线发生破坏的极限跨长，为维修决策提供进一步的依据。 结构评定的安全度标准与所采用的分析方法是一致的，采用可靠性分析方法需有目标可靠性指标为标准。因此，本文充分考虑结构的经济性和风险性等因素，采用模糊优化的方法，得到海底管线需进行维修时的临界安全系数，再根据其在不同环境荷载条件下的不同失效模式反演确定出各自情况下的目标可靠度指标。 本文首先研究了在极端荷载——地震力的作用下，悬跨海底管线的强度破坏问题，并根据这一强度破坏失效模式对管线进行了动力可靠度分析。再根据海底管线在这一失效模式下的目标可靠指标进行可靠度评估，得到悬跨情况下的最危险跨长。 其次，悬跨形成以后，海底管线在波浪力的颤振作用下，易发生疲劳破坏，因此，本文根据疲劳破坏失效模式，对其进行了疲劳可靠度分析，并根据该失效模式的目标可靠指标进行评估，得到了悬跨海底管线发生疲劳破坏的极限跨长。 通过以上两种破坏模式下的可靠度分析，结果表明疲劳破坏模式所确定的极限跨长远小于地震力作用下强度失效模式确定的极限跨长，由此可见当海底管线形成悬跨以后，波浪力作用下的疲劳问题是避免管线失效的主要控制因素。当管线悬跨段长度达到疲劳失效确定的极限跨长时，就应该根据实际情况做出维修决策。
李磊岩[3]2004年在《海底管线管跨段动力响应分析及其实验研究》文中提出海底管线作为生命线工程之一，是海上采油系统的一个重要组成部分，但是由于地形、冲刷、施工等原因，海底管线经常出现与海床表面不直接接触的悬空管段，即：管跨段。管跨段的出现改变了海底管线所承受的载荷形式和应力状态，尤其是在海流作用下流经管跨时，常伴随着周期性的涡旋发放，引发管跨段的周期性振动，成为管跨段发生疲劳失效的主要因素之一。以往对管跨段的研究，多只考虑其外部流体的涡流激振作用，本文在此基础之上，采用理论与实验结合的方法，对内、外流体共同作用下的管跨段的动力特性作了比较系统的研究。 首先，根据Hamilton原理建立了海底管线管跨段在内、外流体作用下的振动微分方程并经过推导得出了考虑内流影响下的管跨段极限冲刷长度计算公式，且对其进行了数值研究，得出了其规律性。其次，利用有限元方法对振动方程进行了求解，得出管跨段响应幅值及振动频率等动力因素随内、外流速的变化规律。此外，还对海底管线管跨段在顺流方向和垂直流方向上的管跨段极限冲刷长度和动力反应规律作出了比较，得到了一些具有实际意义的结论。 除理论分析外，本文还进行了海底管线管跨段物理模型实验。该实验根据一定相似率设计了海底管线模型，并针对不同管跨长度，考虑了管内流体的作用，进行了波浪、海流及其共同作用下的管跨动力反应实验研究。通过对多组实验数据的分析处理，不仅对理论结果做出了论证，而且也可以看出：管内流体作用使管跨段振动频率发生一定变化；海流涡激作用下，管跨段垂向振动响应幅值要大于顺向相应幅值，但是波浪的参与有时会改变此种情况；管跨段的响应情况受管跨长度的影响较大，在工程实际中应尽量使管跨段的管跨长度避开其极限冲刷长度，以达到避免共振维护海底管线安全性的目的。
周晶, 李昕, 马冬霞[4]2000年在《海底悬跨管线的地震响应和振动控制》文中提出渤海湾地区属于地震高发地区，在此处铺设海底管线必须考虑地震作用的影响。本文基于Ｍｏｒｉｓｏｎ方程建立了悬跨海底管线在地震作用下的动力方程。该方程考虑了海水对管道反应的影响，并对影响悬跨海底管线地震反应的因素进行了分析。在此基础上建议了控制管道反应的方法。
李璇[5]2012年在《含裂纹管线的动力响应分析方法研究》文中指出海底管线是海洋石油天然气工程建设的关键工程之一,而随着海底管线使用年限的增加及环境或人为的因素,管线不可避免的出现裂纹等破坏情况。建造在地震活跃地域的裂纹管线潜在巨大的危险性,因此对裂纹管线的抗震研究是十分必要的。而现有研究多是建立在复杂的有限元分析方法基础上的,计算效率较低,无法满足结构快速分析的要求。本文开发出了一种快速模拟海底悬跨裂纹管线动力响应的简化计算方法,并展开相关研究。通过引入局部柔度理论建立了海底悬跨裂纹管线的动力分析模型。基于MATLAB环境编制了裂纹管线地震响应的计算程序,通过典型算例得到地震作用下裂纹管线的响应时程。同时采用三维有限元分析方法模拟裂纹管线的地震响应。通过对比,发现二者分析结果吻合较好,验证了本文方法的有效性,说明该方法不但可以较为准确地模拟裂纹管线的地震响应,而且与传统有限元分析方法相比具有较高的计算效率,可实现管线在地震作用下的快速结构分析,为裂纹管线的地震安全评估提供了一种有效方法。运用本文方法计算得到了裂纹管线的阵型,以及在地震作用下含裂纹单元的应变、剪力、弯矩、位移时程。结果显示,裂纹会引起管线阵型形状轻微的变化,对含裂纹单元的应变影响显著,对含裂纹单元的剪力、弯矩、位移的影响较小。位于管线同一位置的裂纹越深,管线阵型裂纹位置附近的凸起越明显,含裂纹单元的应变越大。地震响应过程中,相同参数的管线在简支约束下同一位置含裂纹单元的应变、弯矩、位移峰值比在固支约束下要大很多,因此处于近似简支约束下的裂纹管线结构更易发生破坏和失效。运用本文方法快速得到裂纹管线在交变荷载作用下的应力,采用雨流计数法对应力时程进行循环计数,得到应力幅值及循环次数,从而计算得到裂纹处应力强度因子幅值。根据疲劳寿命预测的理论,通过典型算例,估算了不同工况下裂纹管线的疲劳寿命。计算结果显示,含裂纹管线在交变荷载作用下,其应力虽远小于材料的屈服应力,疲劳寿命却已很短。
李明高[6]2010年在《基于水动力模型的海底悬跨管道地震反应分析》文中提出海底管道是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分,被喻为海上油气田的“生命线”,在海洋油气资源的开发利用中发挥着重要作用,海底管道的安全运行是海上油气田安全生产的重要保证,其安全性和可靠性日益受到重视。对于建造在地震动活跃区域的海底管道,其潜在的地震危险性巨大。因此,进行海底管道抗震研究是非常必要和紧迫的。与波浪荷载相比,地震具有持时短、频率高、强度大的特点,地震时海底悬跨管道和周围水体的相互作用方式与波浪海流作用下有较大区别。因此,研究地震作用下海底管道的水动力模型对开展长距离海底管道考虑水体和结构相互作用的地震反应分析成为可能。此外,地震动的空间变化特性对海底管道的动力反应具有明显地影响,研究海底管道在多点地震动输入下的动力反应具有重大理论意义和实用价值。海底管道的悬空段与海水直接接触,其所受的水动力一直是国内外学者研究的重点问题。利用水下地震模拟系统开展了地震作用下海底悬跨刚性管道的水动力模型实验,测量了管道周围流场的变化和管道表面的动水压力。基于Morison方程,按最小二乘原理得到了管道的拖曳力系数CD和惯性力系数CM,讨论了Re数(Reynolds number)、Kc数(Keulegan-Carpenter number)、水深d及间隙比e／D等因素对水动力系数的影响规律。实验结果表明,地震动输入方向对管道的受力特性具有重要的影响。水平地震荷载作用下,管道受到的水动力可以忽略。Re数和Kc数对管道的拖曳力系数CD和惯性力系数CM具有重要影响。相对于波浪和海流,地震动包含的较高频率会对管道的水动力产生重要影响。基于模型实验工况,建立刚性管道-水体耦合系统的三维有限元模型进行数值分析,数值结果与试验结果符合得较好。利用水下地震模拟系统开展了地震对海底悬跨柔性管道水动力作用的模型实验研究。利用弹性-重力联合相似律,建立了地震作用下柔性管道的模型与原型间相似关系。同样基于Morison方程,按最小二乘原理得到了管道在不同输入方向下的水动力系数,并讨论了它们受Re数、Kc数、水深d及间隙比e／D的影响趋势。实验结果表明,地震作用下管道受到的水动力出现耦合现象,即在一个方向输入下,管道在两个方向上均受到水动力作用。Re数和Kc数仍然是影响管道水动力系数的两个主要参数。基于模型实验工况,建立柔性管道-水体耦合系统的三维有限元模型进行数值分析,数值结果与实验结果的比较说明,数值模拟能够较好地反映实际管道的运动和受力特性。采用非线性最小二乘拟合法对管道的水动力系数CD和CM随Re数、Kc数、水深d及间隙比e／D的变化关系进行了拟合,分别得到了刚性管道和柔性管道地震作用下水动力系数的定量表达式。并以此为基础,建立了适合地震作用下海底悬跨管道的水动力计算模型。与实验数据对比的结果表明,采用地震时Morison模型能够较好地模拟海底管道在地震作用下所受到的水动力。最后比较了适于波流作用的Morison方程和适于地震的Morison模型对海底悬跨管道地震反应的影响。采用一种谱表示方法,根据给定的互功率谱密度矩阵合成了与目标功率谱拟合的非平稳多点地震动时程。结果表明,利用本文提出的方法合成的多点地震动时程可用于大尺度结构,例如桥梁、生命线工程、大坝和油气管线等的动力抗震分析。在此基础上,建立了考虑不同地震输入方向耦合的水动力作用海底悬跨管道多点输入非线性计算模型,推导了多点输入运动方程,并基于有限元离散方程,进行了海底悬跨管道三维多点输入地震时程反应计算。分析了不同水动力作用方式对管道地震反应影响的差别,比较了多点输入和一致输入下管道的地震反应,研究了管道材料非线性和土体非线性特征的影响,并进一步研究了管道几何参数对管道地震反应的影响。分析结果显示地震动的空间变化特性能显著增大海底管道的地震反应,其他因素也在不同程度上对海底管道多点输入地震反应产生影响。
祖楠[7]2005年在《考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析》文中提出本文以海底管线的涡激振动为研究对象,介绍了管跨段的形成原因,阐述了涡激振动的产生机理、特点。本文进行了海底管线管跨段的物理模型试验,针对不同的管跨长度,管内有无内流流动,波、流共同作用等不同的工况,进行了管跨段动力响应研究。通过对多组实验数据的分析,得出:管内流体作用将对管跨段振动频率产生一定影响;海流涡激作用下,管跨段横向振动响应幅值要大于顺向相应幅值,但有波浪作用伴随时此种情况有时会改变;管跨长度的变化对管线响应影响较大,跨长应尽力避开使管线出现共振的长度。 在分析实验结果的基础上,提出了考虑流固耦合时非线性的涡激升力表达式,建立了考虑流固耦合时海底管线的动力方程及其时程分析方法。以实验管道模型为算例,用有限元方法计算了考虑流固耦合与未考虑流固耦合时管道的动力响应,并比较了两者的差异。算例表明:在外流场流速较大的条件下,不考虑流固耦合时的计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果,因此,偏于不安全。分析认为,在极端海况条件下,考虑流固耦合的分析方法更符合实际情况。
刘清涛[8]2003年在《海底悬跨管线动力特性与疲劳破坏研究》文中研究说明随着我国海洋油气资源的开发和利用，油气集输过程中的海底管道建设日益增多。在我国有关海域建设海底管道时必须考虑海底管道抗震设计。 本文不仅介绍了国内外对海底管线动力特性的研究现状，并且介绍了利用水下振动台研究海底悬跨管线在地震作用下的动力反应的模型实验。试验中考虑了地震波输入方向、管道端部支撑情况、水深、悬跨高度、悬跨长度和管内是否有水等因素。并组合这些因素完成120组试验，得到海底悬跨管道动力响应特性。 并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟，计算结果与试验结果符合得较好。 本文建立了悬跨管线波浪升力颤振下管线动力反应分析的模型，详细阐述了管跨疲劳评价的过程，算例分析了管跨颤振的反应大小和影响因素，计算了其累积疲劳损伤。在上述两个动力模型方程的求解中，引入Rayleigh阻尼大大简化了动力方程的求解。
张敬花[9]2014年在《复杂动荷载作用下海底悬跨管道的动力模型试验研究》文中研究指明海底管线作为海上油气田开发的重要基础设施,承担并保证着运输石油天然气的不可替代重要作用。与此同时,在建设、施工、应用的过程中出现了越来越多的问题,如出现海底管道泄露,污染,爆炸等事故,对海洋的环境和实施海底管道项目的国家将带来非常严重乃至不可估量的损失。海底管线重要性以及存在的安全问题,促使设计人员及施工人员的创新理念和应急预案综合的技术和管理水平不断的提高。目前国内外对海底管线在波浪、海流和地震联合作用下的动力响应和失效模式的研究还不够成熟,尤其是缺乏必要的物理模型试验研究。本文中利用水下地震-波流联合试验模拟系统进行了海底管线在波流、地震单一与联合作用下的动力响应模型试验。模型管道考虑管外水流和波浪的影响,测定不同悬跨长度、悬跨高度及不同地震激励,获得了多种工况下的试验数据,分析了内、外流体对管线自振特性的影响。并通过有限元分析软件ADINA模拟模型试验工况,并将数值模型分析结果与试验结果作比较,从而验证了有限元计算模型的可靠性。
王欣[10]2012年在《海底悬跨管道在波浪与地震共同作用下受力分析》文中提出随着海洋石油工业的快速发展，海底管道的铺设与应用也越来越广泛。管道服役期间，会因海水波流作用对海床的冲蚀，使其裸露出海床。对于裸露出来的海底悬跨段管道的受力分析一直是国内外学者研究探讨的重要课题。本文以海底悬跨段管道为研究对象，做了如下工作：（1）述评国内外关于海底悬跨管道研究现状。包括海底悬跨管道形成原因以及国内外学者对其力学性能分析采用的研究方法与成果。（2）建立海底悬跨管道模型并进行动力响应参数影响分析。本文基于线性（Ariy）波浪理论求得波浪水质点的速度，并基于Morison方程计算了海水对管道的波浪荷载。再应用有限元软件ADINA建立海底悬跨管道有限元模型，研究海底悬跨管道的动力响应及管道长度、海浪波高、管道直径等参数对其影响。然后研究地震与波浪共同作用下海底悬跨管道的动力响应。（3）建立海底悬跨管道-波浪力学模型并进行动力响应影响分析。应用ADINAStructures模块建立海底管道三维动力模型，再用ADINA CFD实体模块进行海水三维实体建模。通过ADINA FSI计算方法对管道模型和水体模型进行流固耦合求解。进行了只考虑波浪以及波浪与地震共同作用下管道动力响应分析。（4）初步探讨海啸波对海底悬跨管道的影响。
参考文献：
[1]. 悬跨海底管线动力反应分析和振动控制理论研究[D]. 马冬霞. 大连理工大学. 2000
[2]. 现役海底输油管线的可靠度分析与维修决策[D]. 左华伟. 大连理工大学. 2002
[3]. 海底管线管跨段动力响应分析及其实验研究[D]. 李磊岩. 中国海洋大学. 2004
[4]. 海底悬跨管线的地震响应和振动控制[J]. 周晶, 李昕, 马冬霞. 世界地震工程. 2000
[5]. 含裂纹管线的动力响应分析方法研究[D]. 李璇. 大连理工大学. 2012
[6]. 基于水动力模型的海底悬跨管道地震反应分析[D]. 李明高. 大连理工大学. 2010
[7]. 考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析[D]. 祖楠. 中国海洋大学. 2005
[8]. 海底悬跨管线动力特性与疲劳破坏研究[D]. 刘清涛. 大连理工大学. 2003
[9]. 复杂动荷载作用下海底悬跨管道的动力模型试验研究[D]. 张敬花. 大连理工大学. 2014
[10]. 海底悬跨管道在波浪与地震共同作用下受力分析[D]. 王欣. 东北石油大学. 2012