基于管道极限承载能力分析的深水S型铺管托管架基本设计研究

S型铺管托管架是铺管系统中的重要装备,起到支撑管道和引导管道入水的作用。其基本设计流程是一个复杂的循环过程,涉及铺管船推进力、张紧器张力、待铺设管道的尺寸和铺设水深等诸多参数的平衡和优选。本文基于下弯段管道在弯曲、拉伸和外压综合荷载作用下的极限承载能力分析,求解了铺管船推进力和张紧器拉力,并以此为边界条件推导了托管架长度的参数公式。以2500米水深铺设12英寸管道为例计算了所需的托管架曲率半径和设计长度,该计算方法可为S型铺管船托管架的基本设计提供参考。     

Cyclic plastic deformation of overbend pipe during deepwater S-lay operation

In deepwater S-lay operations, the combined influences of stinger curvature, axial tension and roller support force can induce very large plastic deformation in the pipe. Dynamic loads from vessel motion and pipe sliding down the stinger lead the cyclic plastic deformation. This paper investigates the cyclic plastic stress history of the overbend pipe subjected to the dynamic pipelaying loading. The dynamic roller support forces are obtained through an innovative large scale hybrid substructure experiment constructed to simulate the pipe-stinger impact behavior. The measured roller forces are used to verify a 3D finite element analysis results developed with ABAQUS/Standard to observe the dynamic pipe stress history. The results confirm that the roller support can induce stress concentration in the pipe and the combined dynamic pipelaying loadings can cause extensive cyclic plastic deformation.     

考虑铺设残余变形影响的管道屈曲分析

文章基于壳单元建立了精细的托管架—管道相互作用模型,模拟了S型管道铺设过程,研究了铺设过程中管道的塑性变形分布,评价了铺设残余塑性变形对管道屈曲压力的影响。研究结果表明在深水S型铺设中,管道会发生明显残余塑性变形,并削弱管道的后续屈曲承载能力。     

基于ANSYS的深水海底管道铺设受力分析

采用ANSYS11.0研究深水海底管道铺设过程中管道变形及受力。针对海底管道铺设边界的特殊性,提出了边界处理的新方法。根据管道在触地点处所受海底反力为零的假设,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)编程迭代,寻找出管道触地点;根据给定的托管架形式,迭代求出管道与托管架的分离点。利用pipe59单元模拟管道的大位移非线性变形,分析了张紧力、水平力、悬跨段弯矩、悬跨段长度及管道与托管架的分离角之间的关系,据此工程人员可以根据所要控制的悬跨段弯矩计算所需的张紧力和入水角。最后通过与OFFPIPE专用软件所得结果进行比较,说明方法的可行性与准确性。     

先进深水S型铺管船及其深海开发应用前景分析

铺管船作为管道铺设的重要海洋工程装备,其性能是深海铺管的关键。针对当前国内外深海铺管船发展,从铺管方式和船体性能两方面进行了分析归纳,对深海管道S型铺设的特点及关键设备进行了分析,讨论了S型铺管船在深海应用的发展趋势。     

循环载荷下箱型梁极限强度性能实验研究

通过系列箱型梁模型实验,研究了箱型梁在极值循环弯曲载荷下的极限承载性能。分别对四个加筋箱型梁模型进行了循环载荷下的四点纯弯实验,实验分别采取单向及双向循环载荷两种施加方式。在单向循环弯曲实验中,模型的后续循环的极限强度与前一循环的后极限强度阶段的卸载点接近,但塑性变形有明显增加,极限承载能力下降显著;双向循环弯曲中,反向弯矩虽然抵消了部分塑性变形,但箱型梁的极限承载能力仍有明显下降。实验表明,实验加载过程中,箱型梁在承受极值循环载荷初期,其构件崩溃速率较缓,而一旦进入后极限阶段,崩溃速率显著加快;箱型梁在极值循环弯曲载荷下的极限承载性能,即后极限强度性能,相比一次性极限强度值逐步下降。     

托管架结构的动力响应分析

S型铺管法的铺管船、管道与托管架之间存在很强的动力耦合作用,难以依靠理论或数值方法准确地得到管道对托管架的动力作用。因为设计荷载的未知,托管架在铺设时的动力响应也难以确定。本文提出了一种能够分析托管架动力响应的方法,利用模型试验测量托管架的托辊动荷载,并建立原型托管架的有限元模型,将托辊动荷载及船体运动作为时域分析的荷载和边界条件引入有限元模型,并根据工程规范对托管架的动强度和动刚度分别进行了验证。     

圆钢管混凝土柱低周反复加载试验研究

为了研究钢管混凝土柱在低周反复荷载作用下组合材料横截面刚度对其性能的影响,以果园港二期工程上的钢管混凝土柱为原型,对3根钢管混凝土柱进行低周反复加载试验。通过控制试件钢管厚度进行物理模型试验,研究钢管厚度对钢管混凝土柱耗能性能、承载性能、强度退化、刚度退化、延性和变形能力的影响。试验结果表明:随着试件钢管厚度的增加,试件的能量耗散系数与等效黏滞阻尼系数均随之减小,试件的耗能能力随之变弱;钢管厚度越小,钢管混凝土柱试件的耗能性能越好。钢管越厚,对核心混凝土的约束作用就越强,强度退化就越弱,试件塑性变形能力就越好。钢管越厚,外包钢管对核心混凝土约束作用就越强,水平承载能力越高。     

Experimental and theoretical studies on the lateral collapse of mechanically lined pipes

The mechanically lined pipe, which consists of a thin non-corrosive liner and a carbon steel pipe, is an economical way to transport acidic fluid in offshore applications. However, it is prone to lateral loading and potentially develops plastic collapse and liner separation during the operational stage. The present study examines its crushing performance using small-scale 2-inch lined pipes manufactured by a customized hydroforming facility. The lined pipes comprised a seamless GB45 carbon steel tube and a grade T2 copper liner. Four ring specimens extracted from lined pipes and two single-layer rings were crushed on a universal testing machine in a quasi-static manner. The tube was found to develop an ovalized shape initially and then changed into a "∞" shape in the end. The carrier and liner were found to stay together throughout the crushing process, with slight liner separation taking place. The manufacture and lateral collapse processes were also reproduced with finite element models and nonlinear analytical formulation. The analytical model was established based on the principle of virtual work and nonlinear ring theory, assuming small strain and finite rotation. It showed that the analytical and numerical simulation results agreed with the experimental results. The influence of major parameters of the problem was also studied based on the full-scale lined pipe. Amongst other findings, manufacture-related plastic hardening is shown to affect the load-carrying capacity and the growth of separation during lateral collapse.     

动力定位作用下S型铺管作业耦合运动分析

文章建立了S型铺管船的船体、托管架和管线动态耦合模型。考虑了海浪、风和海流载荷作用下以及动力定位系统的控制下,分析时域内管道对船舶运动和受力特点的影响。主要包括：建立起重铺管船的动力定位运动模型,建立基于碰撞-接触原理的V型托辊和托管架模型,设计具有PID伺服系统的张紧器模型,提供连接托管架和船尾的非线性弹性铰接模型。进行时域动态模拟得到结果,通过与非铺管作业工况下的运动响应的对比表明,管线对船舶横摇运动影响较大,对纵摇和垂荡运动有一定程度的影响;管道对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的受力影响极大。     

船舶液舱受静压力作用引起的舱容量值变化的初步研究

受静压力影响,船舶在不同的装载工况下,液舱内围壁会产生不同程度的结构变形,计量测深管也会随之发生位移,从而引起舱容量值变化。本文以满载工况下的某典型油船为例,借助有限元软件MSC.Nastran和曲面积分方法分别对甲板板架、船底板架、舷侧板架和舱壁板架的变形和计量测深管的位移求解,从而对该船满载工况下受静压力影响引起的舱容量值变化进行初步研究,为船舶液货舱容量计量修正提供依据。     

深水铺管船托管架总装工艺探讨

托管架是深水管道铺设中的重要设备之一,结合深水铺管起重船托管架建造项目,针对托管架的装配特点,从托管架的制造精度控制、虚拟装配、吊装、工装设计等方面对深水铺管托管架的海上总装工艺进行了探讨,进而为大型结构物的海上装配提供了技术参考.     

S型铺管中上弯段管道受力研究

在使用S型铺管法铺设海底管道过程中,位于托管架上的管道(简称为上弯段)因受到较大的张力、弯矩及托管架的支撑反力作用,容易发生局部屈曲破坏。文中将托管架简化为连续型和滚轮支撑型两种,对连续型托管架上的管道进行了理论研究,并利用非线性有限元方法模拟了滚轮支撑作用下海底管道的受力状态。然后以12英寸管道为例,将两种托管架上的管道应变分布进行了对比。结果表明在连续型托管架上管道应变是一条直线;而滚轮支撑托管架上应变为波浪线,在滚轮作用处较大,滚轮之间较小。而且,应变随着张力的增大而增大,随托管架半径的增大而减小。     

小径厚比深水管道的压溃屈曲研究

深水管道所处的特殊海洋环境极易导致其发生压溃屈曲破坏.通过深入分析不同径厚比深水管道的压溃屈曲特点,并对具有不同径厚比及初始椭圆度的深水管道模型进行了压溃屈曲及后屈曲行为的计算分析.研究发现,压溃屈曲的经典理论公式并不适用于小径厚比深水管道.文章基于经典理论和数值模拟结果,得到了适用于小径厚比深水管道压溃屈曲分析的临界压力修正公式,进而对小径厚比深水管道的压溃屈曲评估提供理论支撑和工程推荐.     

低周疲劳载荷下考虑累积塑性的船舶裂纹板剩余极限强度研究

研究表明在恶劣海洋环境中船体结构整体断裂破坏往往是低周疲劳破坏和累积塑性破坏的耦合结果。考虑这两者耦合作用的影响,评估船体结构的极限承载力更为实际。基于累积塑性和低周疲劳裂纹扩展,从理论上分析了平面内低周疲劳载荷下裂纹板的残余极限强度。经过一系列数值模拟,首先讨论低周疲劳裂纹扩展行为的影响,然后随着疲劳裂纹扩展的发展,主要讨论了初始变形,焊接残余应力,裂纹扩展长度,裂纹分布和裂纹板厚度对低周疲劳载荷下船体裂纹板极限强度的影响。     

浅水铺管船托管架连接点损伤分析和优化设计

针对由特厚高强度钢板组焊而成的托管架连接点结构在实际工程中的损伤情况,文中通过对典型工况下铺管船托管架、铺设管线和船体的整体有限元分析及损伤区域局部有限元分析,利用ABAQUS/Explicit显式分析方法,对最大环境载荷及操作载荷下的构件进行应力分析和低频冲击载荷分析,探讨了结构变形和损伤产生的原因和设计的优化方向。     

运动海床对近海风机单桩基础的影响

以东海大桥海上风电场为研究背景,首先基于Biot固结理论求解了不同波况下多层非均质土体的位移、超孔压的分布,讨论了波浪荷载对海床运动的影响。而后基于土体位移计算结果,应用支座位移加载法与p-y曲线法相结合的方法,求解了运动海床作用下近海风机单桩基础的内力和变形,并将其结果与不考虑运动海床作用的结果进行了对比。对比结果显示:运动海床对桩身的变形影响显著,设计中有必要进行运动海床作用下的变形校核。     

流花4-1油田开发项目中的技术集成创新及应用

对超期服役老平台进行安全解脱和回接作业,开发锚系解脱与回接成套技术,立管快速解脱、海底存放与回接成套技术及老旧跨接管深水拆除技术,在流花4-1油田水下生产系统的开发中,应用双泵采油系统和远距离电潜泵变频驱动技术,采用简化联顶管柱系统取代传统联顶管柱系统成套技术,实现管线终端PLET的国内首次研发,自主管理300 m以上深水铺管,应用遥控水下高压电切换开关技术。     

上海洋山深水港区的选址和规划

通过对洋山深水港区选址和规划的回顾,提出了洋山深水港区具有独特的区位优势、良好的自然条件、可观的经济效益和不错的社会效益;根据北港区建成后的海床冲淤变化,利用数值模拟技术、物理模型试验和船舶航行模拟技术综合分析得出,洋山深水港区北港区规划方案采用半汊道方案为稳妥、合理的方案;归纳了对洋山港总体规划的建议。     

Hydroelasto-plasticity approach to predicting the post-ultimate strength behavior of a ship’s hull girder in waves

Dynamic collapse behavior of a ship’s hull girder in waves is investigated; post-ultimate strength behavior is the focus. Firstly, a simulation method is proposed. Assuming that a plastic hinge is formed during the collapse of the hull girder, the whole ship is modeled as two rigid bodies connected amidship via a nonlinear rotational spring. The post-ultimate strength behavior, such as the reduction of load carrying capacity due to buckling and yielding, is reflected in the model. Hydrodynamic loads are evaluated by using nonlinear strip theory to account for the effect of large plastic deformations on the loads. A scaled model for validation of the simulation is designed and fabricated. Then a series of tank tests is conducted using the scaled model to validate the simulation results. Post-ultimate strength behavior characteristics in waves are clarified by using the numerical and tank test results. It is shown that the hull girder collapses rapidly after reaching ultimate strength, and then the plastic deformation grows until unloading starts at the collapsed section. Finally, several parametric dependencies of the extent of the collapse behavior are discussed based on a series of the simulations.