海底管道立管局部冲刷数值模拟

基于κ-ε湍流模型,建立了海底管道立管与海洋平台桩腿相连接、海流流经海洋平台桩腿发生绕流现象的三维流场模型,模拟了冲刷过程中不同条件下立管附近流场及压力的变化,研究了海底管道立管局部冲刷机理.模拟结果表明:随着与立管连接的横管悬空量增大,立轴漩涡越来越密集,海底管道局部冲刷速度加快;在一定范围内,随着桩腿与立管间距的增大,冲刷速度加快,但是当该间距增大到一定程度时,冲刷速度逐渐减慢;增大桩腿的直径,可以减少海流携带泥沙量,冲刷作用得以减缓.     

油罐与管道连接波纹管抗震合理长度

针地油罐与管道连接小纹管这个抗震薄弱环节加以研究,综合波纹管静力分析方法、油罐与管道连止纹管系统静力分析 地震作用下油罐与管道连接动力分析方法,考虑波纹管内流体自重、油罐地基下沉、温差载荷及地震载荷作用,提出了油罐与管道连接小纹管抗震合理长度的确定方法,可为工程中油罐与管道连接小纹管的抗震设计及有关行业标准的修订提供理论依据。     

浅海埋地双层管道过渡段长度的计算

过渡段是浅海采油平台立管系统的一个部分，由于管道温差和内压引起膨胀会使立管过渡段的端部产生位移，对整人立管系统产生影响。如果过渡段端部位移过大，过渡段将一平台接触，对整个立管系统和采油平台造成危害，因此，对立管系统进行分析必考虑过渡段对立管系统的影响，而考虑过渡段的影响，必须首先确定过渡段的长度。考虑到目前浅海海底管道大多采用双层结构，提出用整体等效法计算又怪管结构过渡段的长度，并根据这种方法推导     

流体压力对油气管道纵向稳定性的影响

建立了海洋立管的挠曲线微分方程，对两端固定约束的情况用无穷级数法求得其临界屈曲载荷计算式，并同时用能量法给出了其近似计算式。讨论了内外液压对管道纵向稳定性的影响，对平躺管道，外部液压的作用增加了管道的稳定性，内部液压的作用减小了其稳定性。计算结果可供管道设计时参考。     

海上采油立管的随机波浪响应

本文应用线性波理论,通过波浪迭加法,探讨了海洋平台油气生产立管系统的动力性质。应用线性化的Morison方程计算作用于立管的波浪力,包括随机波和规则波两种情况。有限元方程的求解是通过模式迭加方法在时域内进行的。分析了波力单独作用及由波力和平台位移共同作用下立管的两种动力响应情况。介绍并比较了所得到的数值结果,包括位移、扭矩和弯矩等数据。结果表明,本文所提出的分析方法是可行的,而计算机程序则可为立管的强度设计提供方便。     

海底悬空管道的静力分析

研究了沿立管与水平管连接处悬空管段的静态分析，讨论了海底悬空管道所受的环境载荷，并开发了相应的计算机软件。该软件不但能计算静载荷下的强度，还能计算静态强度下的临界悬空长度。将理论结果与数值计算结果做了比较，结果表明，两种计算结果是一致的。     

顶张紧式立管作业风险源识别与失效模型

顶张紧式立管(Top Tensioned Riser,TTR)主要应用于深水油气田开发中的单柱式平台和张力腿平台,为了保证海洋工程作业的安全可靠,对复杂载荷条件下顶张紧式立管作业过程中的风险进行了分析。根据美国大陆架区域立管失效资料整理、统计结果,对立管关键工作步骤的危险与可操作性分析进行风险源的识别;将风险源按照因果关系建立了TTR的失效故障树,通过上行法求出故障树的最小割集;将模糊数学的层次分析法与专家评价法相结合,对故障树进行定量分析。基于专家评价结果,确定了故障树中基本风险事件、顶事件的发生概率,并针对概率较大的风险事件提出了防控措施。通过对TTR作业风险源进行识别,建立了基于故障树的失效模型,解决了深水立管事故数据缺乏且不确定性较高的问题,为深水立管的风险管理提供了参考。     

海洋立管气液两相流动模拟研究进展

随着海洋石油工业的发展,从20世纪70年代的浅海立管到21世纪的深海立管,海洋管道发展了多种新的形式,如悬链线立管、S形立管等。对于各种混输立管系统,严重段塞流等不稳定流动会造成设备损坏,严重影响安全生产。因此,实现立管流动的准确模拟,通过合理设计和科学运行控制、消除严重段塞流,具有重要意义。综述了国内外海洋混输立管流动模拟的研究成果,包括L形立管和柔性立管的实验研究、模型模拟及软件模拟的主要进展。指出了当前研究中存在的问题及未来的研究方向,可为进一步开展立管流动模拟研究提供参考。     

爆炸载荷作用下海底管道动力响应数值模拟

为研究爆炸载荷对海底管道破坏作用机理,考虑爆心距、管中所充流体等因素,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸载荷作用下的裸露充流体、埋地充流体、空管裸露、空管埋地4种工况下的管道分别进行动力学响应的数值模拟。研究表明:海底管道在裸露时受到的爆炸载荷作用力明显比埋地时大;在相同条件下,充流体管道比空管更能抵抗爆炸冲击;当受爆炸载荷冲击时,管道迎爆面和背爆面均可能发生破坏失效;爆心距越小,海管正对爆心垂向加速度越大,加速度峰值产生的时间越短,对管道破坏力越大。研究结果可为海底管道优化设计、安全施工及运行提供参考。     

渤西油田严重段塞流控制措施数值模拟

渤西油田QK18-2平台至QK18-1平台之间的混输海管存在严重段塞流现象,由于段塞的不稳定性,易导致分离器发生溢流造成危险。采用OLGA软件对两平台之间的海底管道模拟计算得知,立管底部压力和管道出口瞬时液体质量流量发生剧烈的波动。为了防止严重段塞流危害管道及管道下游的工艺设备,分别对顶部节流法、多相泵增压法、气举法3种控制措施进行数值模拟,结果表明:3种方法均能很好地抑制严重段塞流。当节流阀开度为3%、多相泵安装在立管底部且增压为0.5 MPa、注气量为5 kg/s时,海管严重段塞流完全消除。综合考虑,最终推荐采用顶部节流法,建议节流阀开度为10%,以此有效地指导了渤西油田段塞流控制的工程实践。     

基于OLGA的海底管道水合物生成规律模拟

为了研究海底油气混输管道内水合物的形成过程及管道堵塞问题,结合凝析气生成水合物的相平衡曲线和CSMHyK v2.0水合物动力学模型,使用OLGA软件对海底立管和水平输送管道内水合物生成情况进行数值模拟。结果表明:在某海底管道工艺参数下,无论是立管还是水平输送管内都有大量水合物生成,其水合物浆黏度分别增加了10倍、18倍。在立管中从海底到海平面管段水合物生成速率由大到小,最后趋于0;在水平输送管道中,水合物生成速率保持不变。管道出口压力降低,水合物生成区域减小,且水合物浆的黏度大幅下降。当立管和水平输送管道出口压力分别控制在3 MPa、2 MPa时,可以避免水合物生成,保障管道安全运营。     

立管顶部节流法控制海管清管段塞的适应性

将新油气区块通过新建海底管道回接至已建处理设施,采用立管顶部节流法控制新建海底管道清管段塞存在很多限制因素,研究海管立管顶部节流法对提高已有设施的适应性尤为重要。通过OLGA软件动态模拟海管清管作业,对比了顶部节流对清管参数的影响,分析了节流阀开度、清管气体流量对清管段塞缓冲体积的影响规律。结果表明:节流阀开度越小,管道系统憋压越严重,节流阀前后压差及出口立管底部压力越大,清管段塞缓冲体积越小;清管段塞缓冲体积随节流阀等效开度的减小并非线性减小,节流阀需要达到某等效开度及以下才能达到较好效果;延长阀门动作时间可以减缓节流阀开启时造成的海管气塞;清管气体流量越小,清管段塞缓冲体积、节流阀前后压差及出口立管底部压力越小。研究结果为海洋油气混输管道的安全输送、清管作业的顺利完成提供了技术支持。     

长输管道清管系统应力与振动分析

在长输管道的清管过程中,时常伴有段塞流产生,造成管系中含气率和压力的显著变化,导致管系在段塞流的作用下发生机械振动。依据ASME B31.8-2014《气体输送和分配管道系统》标准,运用CAESARⅡ软件建立清管器管系的应力分析模型,并利用时程分析法分析段塞流对管系的冲击振动影响。应力分析结果表明:在持续载荷工况下管道一次应力满足要求,在动态载荷工况下管道二次应力满足要求,并得出管系在操作载荷工况下管口与支架的受力情况;对清管系统的振动分析表明:段塞流出现区域管系振动位移较大,在段塞流出现附近区域支架受力较大,且在持续载荷工况与动态载荷工况共同作用下,最大应力为54.338 MPa,满足应力校核要求。     

交通荷载下管道疲劳寿命的模糊可靠度方法

以受交通荷载作用的埋地管道为研究对象，认为受交通载荷作用下管道的失效是一个模糊随机事件。考虑交通载荷的非平稳作用特点，基于模糊理论，在合理选取隶属函数的基础上，结合可靠度分析方法对交通荷载作用下管道的疲劳寿命进行了计算，提出了一套简便方法，从而为交通荷载下管道系统的可靠性设计计算提供了一种明确的分析方法和思路。     

海底管跨涡激振动敏感性分析

涡激振动会引起海底管跨的疲劳失效,激振频率、固有频率及激振载荷等是其主要影响因素.固有频率是表征结构对荷载敏感程度的指标,管跨共振只可能在漩涡发放主频率接近管土结构的固有频率时才产生.分析了海底土壤力学特性、悬跨长度、管道尺寸、海流速度等对管跨涡激振动的影响规律,结果表明:随着管道覆盖层土壤硬度增大,管跨的最大应力部位逐渐从管跨中点向土壤和管跨的交界区域移动;当海流速度较大时,对于小管径海底管道,靠近管跨中点和管跨两端易发生疲劳失效.在工程设计校核过程中对易引发疲劳失效的部位予以关注,有助于提高海底管道的可靠性.     

大落差地下水封油库收发油作业的安全性

大落差地下水封油库进行收发油作业时,地面至洞库的立管易出现不满流及喷溅现象,油流对立管底部的冲击力较大.为此,需要在立管上安装节流板,进油立管安装节流板后,底部所受冲力仅为安装节流板前的20％～34％.基于能量守恒及节流板设计规范,建立了收发油工艺数学模型,计算确定了节流板的位置、厚度、孔数、单孔直径等参数.使用TLNET软件模拟地下水封油库停输再启动过程,分析了收发油管道的瞬态压力变化趋势,当启、停泵时间为2 min时,管道沿线最大瞬变压力低于1.9 MPa,小于管道设计承压,不会对油库的作业安全造成威胁.     

径向载荷作用下的管道挤压变形模型

针对长输管道泄漏抢修的特点,利用管道局部挤压的方法,能够在短时间内最大限度地减少或防止油品泄漏危害。基于管道塑性变形理论和能量守恒原理,结合"Bow-tie"管道塑性变形计算模型,建立了管道径向载荷作用下的挤压变形模型,对管道挤压和管内泄漏余压作用下的塑性变形进行分析计算。得到了不同管径管道挤压所需载荷量,利用非线性拟合得到了挤压载荷的分布数据。分析表明:管道挤压载荷随管径、屈服应力的变化,呈现S形递增。该模型可以确定不同管道的挤压变形载荷,为管道挤压抢修提供理论和实践依据。     

文昌油田集输-S形立管内严重段塞流的分析与控制

针对文昌油田群8-3A平台、14-3A平台及116FPSO(浮式生产储卸油装置)之间油气混输管道中发生的严重段塞流开展理论分析与试验研究。根据严重段塞流的判别准则,从理论上分析了文昌油田14-3A海管中的流动状态。基于海管尺寸设计改造了集输-S形立管严重段塞流试验平台,模拟现场油气水在海管中发生的各类流型及其转变过程。基于段塞流消除理论和经典PID控制理论,提出一套依据管道各处压力信号的节流阀自动控制程序,在试验中有效消除了严重段塞流。通过对116FPSO进行改造,将该技术应用于文昌油田群现场,显著降低了下海管压力和上FPSO压力的波动幅值,提高了油气产量。(图9,表3,参29)     

洪水载荷下悬跨管道安全性的数值模拟研究

阐述了因洪水冲刷而暴露于河水中的管道的安全性对整条管道的安全运行有着十分重要的影响.利用数值方法分析了洪水载荷作用下的漂浮管道的安全性,以有限元软件ABAQUS计算了不同的管道漂移量与流速引起的管道的环向与轴向应力,同时分析了管道在此类载荷作用下的屈曲模态以及不同的河水流向与管道应力状态之间的关系.对管道自重对管道应力状态的影响进行了分析,分析结果可为管道现场抢修工作提供参考.     

洪水载荷下悬跨管道安全性的数值模拟研究

阐述了因洪水冲刷而暴露于河水中的管道的安全性对整条管道的安全运行有着十分重要的影响。利用数值方法分析了洪水载荷作用下的漂浮管道的安全性，以有限元软件ABAQUS计算了不同的管道漂移量与流速引起的管道的环向与轴向应力，同时分析了管道在此类载荷作用下的屈曲模态以及不同的河水流向与管道应力状态之间的关系。对管道自重对管道应力状态的影响进行了分析，分析结果可为管道现场抢修工作提供参考。