海底滑坡對管線作用力的數(shù)值分析.pdf

1、作為海底原油和天然氣的重要輸送管道，海底管線在近海油、氣生產(chǎn)的總體任務(wù)中起著重要作用，是向外運(yùn)輸油、氣的主要手段，它的數(shù)量也隨著海域使用活動的日益頻繁而不斷增加，一般放置在海床表面或處于懸跨狀態(tài)。海底巖石和沉積物在重力的作用下滑落產(chǎn)生的滑坡，可能會摧毀沿途管線、石油平臺等海底工程設(shè)施和建筑物。在引起海底管線失穩(wěn)的原因中，海底滑坡的沖擊作用是主要的影響因素。因此，海底滑坡對管線作用的研究對于確保海底管線的安全運(yùn)行有著重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)

2、用價值。
　　本文主要研究海底滑坡對置放于海床表面管線的作用力，應(yīng)用ANSYSCFX流體力學(xué)計算軟件，采用Herschel-Bulkley流變模型，考慮不同沖擊角度、泥漿含量、滑移速度等因素模擬了海底滑坡對管線的沖擊過程。通過與已有試驗研究、數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，驗證了所提出的數(shù)值模擬方法的有效性。首先應(yīng)用流體力學(xué)方法提出了包含沖擊角度影響因素的置于海床表面管線的法向阻力系數(shù)CD-90和軸向阻力系數(shù)CD-0的計算公式。然后根據(jù)土

3、力學(xué)方法計算得出了不同沖擊角度條件下海床表面管線的法向承載力系數(shù)Np和軸向摩擦系數(shù)fa，最終通過對兩種方法基本公式的推導(dǎo)及演化、整理，將流體力學(xué)方法與土力學(xué)方法統(tǒng)一表示，進(jìn)而推導(dǎo)得到了管線所受荷載的破壞包絡(luò)線。同時，基于流體力學(xué)、土力學(xué)兩種研究方法，提出了更適合分析阻力系數(shù)、描述模擬數(shù)據(jù)規(guī)律的混合方法。
　　文中分析了影響管線的三個主要因素，即管線與海床表面的距離、管線沿沖擊方向的截面形狀以及管線的粗糙度。模擬了海底滑坡對距離海床

4、不同懸跨高度的管線的作用，得到管線所受荷載與懸跨高度之間的關(guān)系，由此總結(jié)出懸跨工況時的臨界距離，即懸跨高度超過該臨界距離后，阻力系數(shù)將不再隨之增大而基本保持不變。通過提出包含懸跨高度因素的海底管線的阻力計算公式，建立了置于海床表面和處于懸跨狀態(tài)的兩種工況下的海底管線所受阻力之間的關(guān)系，對工程中的實際問題有一定的指導(dǎo)意義。
　　海底滑坡以不同角度沖擊管線時，管線沿沖擊方向的截面形狀會不同，沖擊角度為90°的管線的截面形狀是圓形，而其

5、它角度時管線的受沖擊截面形狀則變?yōu)闄E圓形。隨著角度的逐漸減小，截面的橢圓性質(zhì)愈發(fā)明顯。定義截面參數(shù)高寬比，用于分析橢圓沖擊截面形狀，得到不同截面形狀管線的受力規(guī)律。為驗證關(guān)于沖擊截面形狀對阻力系數(shù)影響的理論，通過豎向傾斜管線的模擬實現(xiàn)了立面橢圓的沖擊截面形狀，即高寬比大于1的截面，得到的管線受力大小與之前研究結(jié)論保持一致。最終給出海底管線所受阻力大小與沖擊截面的性質(zhì)之間的計算公式。同時，研究了管線粗糙度對管線所受阻力大小的影響，得出阻力