海底管线管跨段动力响应分析及其实验研究

摘要

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随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,该文在此基础之上,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,得到了一些有实际意义的结论.除理论分析外,该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.

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章海底管线管跨段研究综述

1.1海底管线管跨段的形成

1.1.1海底管线管跨段的形成原因

1.1.2海底管线管跨段的形成类型

1.2管跨段的涡旋形成机理及其对管跨段的作用

1.2.1海流在管跨段的涡旋形成机理和基本特点

1.2.2海流流经管跨段形成的旋涡作用

1.3海底管线管跨段涡激振动问题的研究现状

1.3.1海底管线管跨段的振动特性分析研究现状

1.3.2海底管线管跨段的极限冲刷长度计算研究现状

1.3.3海底管线管跨段的实验研究研究现状

参考文献

第二章管跨段垂向涡激振动的理论分析

2.1海底管线管跨段的垂向振动微分方程的建立

2.2海底管线管跨段的极限长度计算

2.2.1管跨段长度及内部流动与基频的关系式的建立

2.2.2海底管线管跨段冲刷长度的关系表达

2.2.3数值算例分析

2.3海底管线管跨段垂向振动特性分析方法

2.3.1垂向运动方程的离散

2.3.2海底管道管跨段竖向荷载分析方法

2.3.3运动方程的求解

2.4海底管线管跨段垂向动力特性的数值分析

2.5本章小结

参考文献

第三章管跨段顺向涡激振动的理论分析

3.1海底管线管跨段顺流向的极限冲刷长度计算

3.1.1跨段顺向极限冲刷长度计算式的建立

3.1.2顺向极限冲刷长度计算的分析与比较

3.2海底管线管跨段的顺向振动特性分析与比较

3.2.1管跨段顺向分析方法

3.2.2管跨段顺、垂向动力特性分析比较

3.3本章小结

参考文献

第四章海底管线管跨段的实验研究

4.1模型设计与制作

4.1.1模型相似律的确定

4.1.2模型制作

4.2实验设备及实验方案设计

4.2.1实验设备及测试仪器

4.2.2实验方案设计

4.3实验数据处理与结果分析

4.3.1流作用下实验数据的处理分析

4.3.2波流耦合作用下对管跨振动的影响

4.4本章小结

参考文献

第五章结束语

攻读硕士学位期间发表(录用)的学术论文

致谢