波浪作用下埕岛油田海底管线稳定性数值分析

论文摘要

海底管线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大作用。海底管线运行环境恶劣,失效概率高,在波浪、海流、潮汐的作用下,其稳定性状况一直是研究热点。位于现代黄河水下三角洲的胜利埕岛海上油田,海底管线稳定性成为重要的安全隐患。这与该海区海床沉积物独特性质及海洋动力条件密切相关。目前设计上采用的常规方法,由于缺少地区特色的针对性使其结果受到置疑。在中石化重点攻关课题“埕岛海管剩余寿命评价及海缆监测技术研究-海底管线安全防护对策”（JP05007）资助下,本论文针对埕岛油田海区特点,在搜集整理分析研究区水文与地质资料的基础上,利用数值模拟的方法,较为系统地研究了海底裸置管线、埋藏管线的稳定性,取得了一些突破性的研究成果,同时在研究方法上也取得一些进展。本文的主要研究工作与成果有:1.现场调查并收集研究区地质与水文资料,依据138个钻孔数据的统计分析,将埕岛海域研究区地层分为三个亚区,并对各亚区内的海床土性质及水动力特征进行了统计分析,为进一步管线稳定性分析提供必要的水文与地质资料。2.基于Biot固结理论,根据埕岛海域特定的水文、地质条件,建立了波流作用下裸置管线动力响应问题的数学模型。采用WakeⅡ模型计算了裸置管线所受的拖曳力和升力,改善了以往采用Morison方程计算管线受力时忽略尾流效应的不足,使计算结果更加符合实际情况。通过与相关研究的对比,验证了本文所采用方法的可靠性。根据所建模型对影响裸置管线横向稳定性的各项因素分析表明,忽略尾流的影响会严重高估裸置管线的在位稳定性,影响管线稳定性最主要的因素是单位长度管线重量。在此基础上建立了埕岛油田地区的裸置管线稳定性校核曲线,可为本地区管线设计提供指导。3.将非线性波浪理论和随机波浪理论引入有限元模型,建立了埕岛地区埋置管线复杂波浪荷载作用下瞬态响应的数学模型。讨论了波浪的随机性对管线及海床动力响应的影响及海床土体与埋置管线的接触效应。与前人研究结果相比,本文中所采用的数学模型更为接近实际情况,可以更好的反映波浪作用下埕岛油田地区海床土体与埋置管线之间的相互作用。并据此模型对复杂波浪荷载下埋置管线的动力响应进行分析,发现波浪的非线性和随机性以及管线-土体之间的接触效应对计算结果的影响十分显著,如果忽略这些因素,则会在分析埋置管线动力响应时造成较大误差。4.基于大变形理论,开发了基于ABAQUS的用户单元子程序,对波浪作用下埕岛地区海床土体内残余孔压的发展进行了计算,及海床液化判别分析。将液化后土体视为Bingham体,开发了大变形下的用户材料子程序,对管线在液化土体内的移动进行了研究。结果表明,埕岛海域不同工程地质分区土体液化行为差别较大,海床土液化深度随波浪作用时间的增加而增加,但是最终会趋于稳定;液化后土体的粘性系数影响到管线在液化土中的运动速度,但不影响其运动趋势。主要创新点:针对埕岛油田具体水文、地质条件,采用更为合理的水动力模型计算裸置管线所受荷载,在此基础上建立了埕岛油田地区裸置管线与土体相互作用的数学模型,提出了适合埕岛油田裸置稳定性分析的校核曲线。建立了复杂波浪荷载作用下埋置管线与周围土体相互作用的数学模型,并基于大变形理论,对管线在液化土体中的移动进行了模拟,并对影响土体液化和管线在液化土体中行为的因素进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究历史与现状
• 1.2.1 波浪作用下海床动力响应研究现状
• 1.2.2 波浪荷载导致海床液化研究现状
• 1.2.3 有关液化后土体行为的研究现状
• 1.2.4 波浪作用下海底管线稳定性研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 埕岛油田工程地质分区与特征
• 2.1 引言
• 2.2 工程地质分区的原则
• 2.3 埕岛海域工程地质分区
• 2.4 埕岛海域各工程地质分区的特征分析
• 2.4.1 地形地貌
• 2.4.2 海床土性质
• 2.4.3 水动力特征
• 2.5 小结
• 第三章 波浪作用下埕岛油田裸置管线稳定性分析
• 3.1 引言
• 3.2 裸置管线与海床土体相互作用数学模型
• 3.2.1 模型简介
• 3.2.2 环境荷载模拟
• 3.2.3 管线-土体的接触模拟
• 3.2.4 自重应力平衡问题
• 3.3 计算结果验证
• 3.3.1 波浪作用下海床动力响应计算结果验证
• 3.3.2 管线稳定性计算结果验证
• 3.4 波浪作用下埕岛油田裸置管线稳定性分析
• 3.4.1 失稳过程分析
• 3.4.2 影响因素分析
• 3.4.3 裸置管线稳定性分析
• 3.5 小结
• 第四章 波浪作用下埕岛油田埋置管线/海床土体瞬态响应
• 4.1 引言
• 4.2 埋置管线/海床土体相互作用数学模型
• 4.2.1 模型简介
• 4.2.2 波浪荷载模拟
• 4.3 计算结果验证
• 4.4 计算结果影响因素分析
• 4.4.1 弹性模量
• 4.4.2 渗透系数
• 4.4.3 波浪荷载类型
• 4.4.4 接触效应
• 4.4.5 埋置深度
• 4.4.6 管线尺寸
• 4.5 波浪作用下埕岛油田埋置管线瞬态响应及稳定性分析
• 4.6 小结
• 第五章 波浪作用下埕岛油田埋置管线/海床土体累积响应及稳定性分析
• 5.1 引言
• 5.2 大变形固结理论
• 5.2.1 大变形与小变形分析的区别
• 5.2.2 大变形理论
• 5.3 残余孔压计算模型
• 5.4 液化后土体本构模型
• 5.4.1 模型简介
• 5.4.2 本构方程
• 5.5 ABAQUS 二次开发
• 5.5.1 UEL 开发
• 5.5.2 UMAT 开发
• 5.6 计算结果验证
• 5.7 影响因素分析
• 5.7.1 土体性质
• 5.7.2 埋置深度
• 5.7.3 波浪荷载类型
• 5.8 埋置管线稳定性分析
• 5.8.1 海床液化深度分析
• 5.8.2 管线在液化土中的移动
• 5.8.3 埋置管线稳定性分析
• 5.9 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 读博期间发表学术论文及参加科研情况