钢悬链线立管触地区管土相互作用机制研究

摘要

在海洋油气资源开发过程中，钢悬链线立管以其经济性及对上部平台运动良好的适应性而得以广泛应用。钢悬链线立管由连接上部平台的顶端向下延伸，经历了分布在水中的悬垂段乃至与海床接触的触地区，随后延展到立管的拖地段乃至漫长的浅埋段。钢悬链线立管在触地区的管土相互作用是预测管道疲劳寿命的关键，其拖地段的局部冲刷对海底管道服役期间的稳定性也有着重要影响。目前，对于管道与海床相互作用机制及管道周围局部冲刷过程的颗粒起动机理尚有很多问题亟待解决。鉴于此，本文通过理论分析、室内试验和数值模拟的手段针对钢悬链线立管触地区管土相互作用机制展开研究，具体包括以下工作： 1.分析比较现有三种典型管土相互作用模型——RQ模型、AB模型和ABY模型，针对其不足提出了改进的管土相互作用模型。该模型考虑了土体强度的循环弱化和应变率效应，能够考虑海床表面地形变化。进而，基于该管土作用模型构建了钢悬链线立管-流体-海床相互作用数值模型，深入探讨了在垂荡过程中触地区管道的埋深发展特征，并对循环过程中海床形态的变化做了详细的分析，揭示了考虑土体强度弱化和海床表面地形变化时管道的内力响应模式,并对管道在触地区的疲劳损伤做了评估。 2.通过室内大比尺试验模拟了管土侧向循环作用过程，对沿管道长度不同位置处的管道埋深、内力响应及土体内部孔压的发展进行监测记录，观测了管道的侧向运动轨迹，分析了管道侧向循环过程中海床开槽过程和触地区形状、范围及触地点位置的演变过程，探讨了侧向循环过程中管道贯入机理及周围土体的软化和变位，并观察了后继竖向循环期间管道的整体响应，最后在循环试验后对管道底部土体强度进行了测试分析，评估了管道运动对周围土体强度的影响。 3.采用数值分析耦合模型试验的方法，分析管道底部海床泥沙颗粒的起动机制，并在考虑渗流影响的情况下对已有的经典希尔兹数进行了修正。基于现存的两种冲刷试验——固定管道和下垂管道的冲刷试验结果，建立流体-管道-海床相互作用数值模型，采用剪切压力传输模型分析了上部流场在冲刷过程不同时刻的流场演变规律，并通过求解多孔介质海床模型获得海床内部的渗流场，研究了冲刷过程中渗流力对颗粒起动的影响，指出了传统判断颗粒起动方法的不足，揭示了渗流在评判颗粒起动中的重要性，并建议采用经过渗流修正后的希尔兹数来判定海床颗粒是否起动。

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摘 要

ABSTRACT

目 次

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 管土相互作用模型及应用

1.2.2 触地区立管与海床相互作用分析

1.2.3 海洋立管整体分析方法

1.2.4 立管触地区现场及模型试验研究

1.2.5 管道拖地段的冲刷问题

1.3 本文主要内容

1.4 创新点

第2章 三种竖向管土相互作用模型在动力循环中的表现

2.1 引言

2.2 模型介绍

2.2.1 RQ模型

2.2.2 AB模型

2.2.3 ABY模型

2.3 关于弱化模型的讨论

2.4 模型算例对比

2.4.1 单元分析

2.4.2 管土相互作用分析

2.5 本章小结

第3章 改进的管土竖向相互作用模型

3.1 引言

3.2 模型介绍

3.2.1 初始贯入阶段

3.2.2 上拔阶段

3.2.3 再贯入阶段

3.2.4 任意位置反向运动阶段

3.3 土的应变率效应

3.4 弱化模型

3.4.1 弱化因子

3.4.2 土体强度弱化

3.5 模型参数分析

3.6 与其他非线性模型对比

3.6.1 单元分析

3.6.2 触地区管土相互作用分析

3.7 算例分析

3.8 本章小结

第4章 悬链线立管触地区管土侧向相互作用试验

4.1 引言

4.2 试验装置介绍

4.2.1 模型槽

4.2.2 加载装置

4.2.3 模型管道

4.2.4 试验土样

4.3 试验步骤

4.4 静力铺设试验

4.4.1 管道埋深发展

4.4.2 管底孔压变化

4.4.3 管道弯矩变化

4.4.4 管道形态与模型验证

4.5 侧向动力循环试验

4.5.1 管道运动变化

4.5.2 孔压变化

4.5.3 弯矩分布变化

4.6 竖向动力循环试验

4.7 试验后土体强度变化

4.8 本章小结

第5章 海底管道冲刷过程的渗流影响

5.1 引言

5.2 基本理论

5.2.1 流体模型

5.2.2 土体模型

5.2.3 流体-管道-海床数值模型

5.3 颗粒起动的力学机制

5.4 流场验证

5.4.1 流速分布

5.4.2 压力系数分布

5.5 固定管道冲刷过程的渗流影响

5.5.1 t = 1.5分钟

5.5.2 t = 5分钟

5.5.3 t = 30分钟

5.5.4 t = 217分钟

5.6 考虑下垂的管道冲刷中的渗流影响

5.6.1 t = 0分钟

5.6.2 t = 35分钟

5.6.3 t = 90分钟

5.6.4 t = 158分钟

5.7 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 下一步工作建议

参考文献

附录 作者简历及在学期间所取得的主要科研成果

一、博士研究生期间发表（录用）的论文：

二、参与的科研项目：