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海底管道是海洋油气资源开采中重要的基础设施。为了完善我国海洋石油管道安全性评估方法,本文围绕影响海管安全的主要因素,对悬跨海管的近底床影响、水动力载荷、结构响应及失效行为规律等相关问题开展系统研究。本文的主要研究内容如下。
1.建立海管附近沙质底床冲刷的力学模型。模型计及海管下游尾迹、泥沙休止角的影响;结合土力学和传统泥沙运动理论,分析修正海管浮重作用下的泥沙起动判据;探索沙质底床局部冲刷展向扩展跨度和坡度的计算方法,研究海流、海管参数对冲刷扩展跨度和坡度的影响规律。
2.建立海流-海管-沙床耦合作用的水动力模型。以环境参数为自变量,揭示底床局部冲刷与海管水动力的相互影响;研究并给出水动力的近底床特性,为海管水动力系数的设计取值提供理论参考。
3.实现近底床悬跨海管的有限元建模。研究海流-海管-沙床耦合系统中海管的静载失效行为规律;分析流速、底床等环境参数和管道类型(单层配重型、双层保温型)、端部约束等结构参数对静态承载状态和安全跨长的影响。
4.建立海管的动态安全性分析体系。运用CFD方法和优化的动网格技术对振动海管上的脉动流体力进行模拟;归纳中等雷诺数条件下水动力脉动幅值的跃变规律;基于海流-海管间能量耦合关系和升力-位移频响特性曲线,求解海管的动态响应时程;分析疲劳寿命、动态安全跨长与幅频特性间的关系。
5.建立具有随机分布缺陷的海管可靠性分析模型。通过对静态承载状态、模态和动态响应的计算,揭示腐蚀老化海管的幅频特性、应力分布与随机缺陷参数的关系,研究其失效行为与完好海管的差异,并评估其疲劳寿命可靠度,为服役中后期海管的安全运行提供理论指导。