深海立管VIV预测模型及影响因素研究

为有效预测多因素作用下深海立管涡激振动(VIV),首先,基于欧拉-伯努利梁弯曲理论和改进范德波尾流振子方程,考虑管内流动流体和立管横向(CF)和顺向(IL)耦合作用,建立海洋立管涡激振动预测模型,用埃尔米特插值函数离散立管微分方程,纽马克-β法在时域内迭代求解立管位移;然后,设计VIV试验,并将试验数据与模型计算结果进行对比验证;最后,研究海流流速、内外流流速和顶张力对深海立管涡激振动特性的影响。结果表明:海流流速越大,立管振动频率越高,振动幅值越大;立管固有频率随内流流速的增大可能降低到锁振频率范围,加速立管的疲劳破坏,顶张力对立管内流影响有明显抑制作用,立管双向耦合作用在涡激振动分析中不容忽视。     

内外流作用下海底悬跨管线的动力特性分析

当海底管线受到复杂载荷作用时，有必要对其进行动力响应分析．首先，建立了管跨段在横向涡激振动下的力学模型，在假设管道系统承受外界均匀流作用的同时，考虑管内流体流动的影响，导出了悬跨段横向运动的方程．采用Herrnite插值函数和Galerkin法离散得到了其有限元形式．最后，给出了两个具体算倒，讨论了轴向力和压强对悬跨管道允许极限长度的影响和内流流速对固有频率的影响。     

不同交通流下车辆对桥梁涡振稳定性影响的试验研究

涡激振动是桥梁风致振动中最常见的现象,通常在较低的风速下发生,且对结构气动外形的变化很敏感,车辆行驶在桥梁上势必会改变桥梁断面的外形,因此,研究不同交通流下车辆对桥梁涡激振动的影响非常必要。为了考虑实际运营中车辆对桥梁涡振的影响,基于自由悬挂节段模型试验系统,分别对无车、自由车流和繁忙车流3种交通流状态下车辆对桥梁涡振振动的影响进行了风洞试验。测试了涡振响应和涡振频率,分析了车辆对桥梁涡振响应的影响及机理。结果表明,由于车流显著改变了主梁的气动外形,并且增加了系统质量,不同交通流下车辆对桥梁涡激振动起到了抑制作用。偏于安全考虑,实际桥梁的涡激振动试验可以不用考虑车辆的影响。     

螺旋侧板对立管水动力影响的数值模拟研究

针对附有三板式螺旋侧板的立管水动力影响问题展开三维数值模拟研究,采用CFD大涡模拟方法,对不同的螺旋侧板高度h和螺距P在雷诺数分别为3 900,10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数CD、升力系数CrmsL、斯特劳哈尔数St及其频谱等特性。模拟结果表明:螺旋侧板对立管升力和阻力有明显的抑制效果,升力系数均方根值CrmsL较光滑立管降幅最大达到95.8%,但随着螺旋高度h的增加,会引起立管的阻力增加,螺旋高度h为0.1D～0.2D（D为立管直径）时的抑制效果较好,并且h为0.1D时的抑制效果最为理想;CD值和CrmsL值均随螺距P的增大而增大并保持在较低值范围,两者均在P=12.5D附近出现了随螺距P的增大而减小的现象,侧板螺距P在取值为5D～17.5D范围内的选择对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

附属管线对隔水管涡激振动影响的数值模拟研究

涡激振动现象会引起海上钻井平台隔水管发生结构失稳和疲劳破坏。针对附属管线安装位置对隔水管的涡激振动影响开展了三维数值模拟,采用CFD大涡模拟计算方法,对不同来流角度α、直径比d/D和间距比G/D情况进行数值模拟,得到隔水管所受的升力和阻力变化情况并对其进行频谱分析。模拟结果表明:隔水管所受的升力和阻力对来流角度的变化很敏感,阻力系数CD和升力系数均方根CrmsL随来流角α的增大而减小,并在α值为30~45°范围内降至最低;用来表征隔水管后方漩涡脱落频率的St数随α的增大略有增大,但总体稳定保持在较低值范围。根据模拟结果,附属管线在直径比d/D值应在0.2~0.3范围内,间距比G/D值在0.3~0.4范围内的布置方式对隔水管涡激振动的抑制效果最为理想。     

储气库含裂纹缺陷井筒寿命可靠性预测方法研究

为了探究地下储气库井筒管柱裂纹缺陷对井筒寿命的影响，采用随机裂纹扩展融合概率密度演化法(Probability Density Evolution Method, PDEM)模型对含裂纹缺陷井筒进行寿命可靠性预测。通过修正后的裂纹特征向量，采用总变差减小(Total Variation Diminishing, TVD)差分格式求解出特征值概率密度函数，可得到其疲劳寿命可靠性，研究不同裂纹长度和井筒内压下，井筒管柱裂纹处最大应力和应力强度因子K的变化规律，并对其模型预测进行性能分析。结果表明：概率密度演化法得到的井筒裂纹尺寸曲线与Monte Carlo法的结果吻合性良好，且概率密度演化法计算简单、精度高，模型预测误差率在11%以内；最大应力及应力强度因子K随着井筒压力、裂纹长度的增加而增大，当最大应力超过材料屈服强度350 MPa后，则增长趋势逐渐减缓直至趋于平稳。     

纵向肋条对斜拉索减振特性的影响研究

为研究纵向肋条气动措施对斜拉索风雨激振现象的抑振机制,首先,建立可用于分析带有运动水线的不同气动外形斜拉索的风雨激振理论模型;然后,推导耦合的水膜运动方程和拉索振动方程;最后,采用该理论模型系统分析带有不同个数纵向肋条的斜拉索的振动响应、水膜形态特征以及拉索表面气动升力和阻力的变化特性等。结果表明:纵向肋条会阻碍上水线的形成,通过增加拉索表面的纵向肋条个数,可降低拉索发生风雨激振的风险;当拉索沿环向布置12根纵向肋条时,水线运动的主频已远远偏离拉索的固有频率,在保证风阻系数小的同时降低拉索的横风向振幅,减振效果最佳。     

高海拔剧烈干湿循环在役排土场安全状态评价

为揭示剧烈干湿循环作用对高海拔地区石灰石排土场边坡安全状态的影响，针对高海拔矿区水泥用石灰岩矿区1号、2号在役石灰石排土场边坡，基于非饱和-饱和渗流理论，引入非饱和土抗剪强度方程、基质吸力分布规律方程，开展数值计算，研究剧烈干湿循环下非饱和-饱和渗流场的演化特征并对排土场边坡进行安全状态评价。研究结果表明：在干湿循环作用下，石灰石排土场边坡表层土体由非饱和状态向饱和状态转变；随干湿循环次数增加，石灰石排土场边坡最大竖向位移持续增加，数值计算边坡最大累积竖向位移值与实际监测值较为吻合；石灰石排土场边坡安全系数随干湿循环次数增加而持续衰减；石灰石在役排土场边坡在剧烈干湿循环作用下处于稳定状态。     

海洋平台立管安装施工安全风险分析

<正>目前,国内外学者对海洋平台立管安装后的风险管理分析较多,但对立管安装施工作业风险分析研究很少。为了探讨海洋平台立管安装施工安全风险管控,本文根据一般立管安装施工程序,利用HAZID风险分析方法,对立管安装施工作业进行风险分析,识别出施工作业中的中、高风险,并根据确定的风险等级,提出相应的风险控制措施,以确保立管安装施工过程的安全。     

FN1000m~2换热器管板与球封焊接结构安全性分析

以JB 4732标准对某企业FN1 000 m2换热器进行管板与球封焊接结构疲劳寿命计算,校核其疲劳寿命是否满足企业要求。疲劳寿命计算是在有限元应力分析结果满足JB 4732对强度要求的前提下,依据JB 4732中附录C疲劳寿命计算准则,计算FN1 000 m2换热器在交变载荷下允许最大应力循环次数。计算结果大于企业所规定的应力循环次数,满足了企业对换热器管板与球封焊接结构安全性疲劳寿命要求,节约了疲劳试验的时间与成本,对企业进行换热器结构优化具有指导意义。     

深水隔水管系统安全作业窗口分析*

为分析深水隔水管系统在不同环境载荷下钻井平台允许的最大偏移量,确保整个钻井作业顺利完成并提高生产效率,建立隔水管-井口与土壤整体力学分析模型,提出1种以钻井平台向不同方向许可偏移距离确定安全作业窗口的分析方法,并结合实例分析表层海流速度及隔水管系统顶张力对隔水管系统安全作业窗口的影响。结果表明:当表层海流速度增大时,深水隔水管-井口与土壤整体系统安全作业窗口减小,不同模式间作业窗口的间距增大,且沿海流速度方向正常工作区间减小幅度远大于垂直海流速度方向,应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离;当海流速度过大导致安全作业区间过小时,可通过提高隔水管系统的顶张力增大安全作业区间。     

基于RPN-BN的平台-隔水管系统遇内波风险分析

为保障内孤立波作用下的深水半潜式钻井平台-隔水管系统的安全,同时解决海洋平台系统设备失效数据的缺失问题,提出1种风险优先系数（RPN）与贝叶斯（BN）结合的定量风险分析方法。首先,基于故障树和安全屏障方法,建立平台-隔水管系统Bow tie模型和贝叶斯风险演化模型;其次,根据贝叶斯推断和风险优先系数中的事故发生频度估计,得到平台-隔水管系统失效事故的发生概率;最后,通过贝叶斯网络的逆向推理能力辨识内孤立波作用下引起平台-隔水管系统失效的主要风险节点,实现对平台-隔水管系统失效事故的定量风险分析。结果表明:RPN-BN法可应用于平台-隔水管系统遇内波的定量风险分析;加强对平台漂移量的控制,提高动力定位系统控制设备的可靠性可有效抵御内波对系统造成的影响。     

深水钻井隔水管磁记忆内检测装置研发及应用

为了解决深水钻井隔水管裂纹、磨损、疲劳损伤等检测难题,基于磁记忆检测技术研制1种内检测器.其主要结构包括:数据采集腔,周向布置的60路GMR高灵敏度传感器,导向支撑轮,吊装牵拉钩等.该设备可以在不拆卸浮力块的情况下完成隔水管内壁的覆盖式扫查.结果表明:检测器具备较高的可靠性,操作简单、检测效率高;检测数据可以有效反映隔...     

基于紧凑拉伸试验的含缺陷燃气管疲劳寿命预测分析

为分析预测含缺陷燃气管道的疲劳寿命,实现燃气管道分类分级监测和维护。在理论分析含缺陷管道疲劳寿命预测模型的基础上,通过MTS电液伺服疲劳试验机测试获得同一应力比下4种不同应力强度因子的疲劳裂纹扩展速率,进而构建含缺陷燃气管道疲劳寿命的实用模型。以安徽淮南天然气二气源管道工程实际参数为例,预测分析类似条件下含缺陷燃气管道的疲劳寿命,为燃气管道监测维护与分类分级管理提供可靠依据。结果表明:管道的疲劳寿命与裂纹深度变化近似成线性关系,与内压幅值变化近似成指数为负的幂函数关系,且管道输送压力变化幅值不应超过1.5 MPa。     

大前石岭岩堆斜坡坡面爆破振动动力响应特征*

为探究爆破振动作用下岩堆斜坡动力响应特征,防止爆破引起坡面岩堆失稳,构建大前石岭岩堆斜坡爆破振动三维有限元模型,基于实测数据进行数值模拟验证,研究爆破引发的岩堆斜坡坡面位移、速度及加速度在不同方向、坡面位置及用药量下的响应规律。研究结果表明:岩堆体位移、速度及加速度呈波浪状“先快后慢”式衰减;垂直振动最剧烈,隧道轴线和水平方向振动较弱且相差不大;坡面位移、速度、加速度峰值与爆心距呈负相关关系,与药量呈线性增大关系;离爆破掌子面最近的坡面处垂直方向峰值速度最大,应将该点作为爆破振动安全评价关键点,且K,α推荐值分别为30,1.2左右。研究结果有助于深入认识爆破作用下岩堆坡面动力响应特征,为经济、安全施工提供参考。     

深水钻井隔水管紧急解脱失效动态风险分析

为了分析钻井隔水管紧急解脱失效动态风险,保证深水钻井隔水管紧急解脱安全运行,通过辨识隔水管紧急解脱相关风险因素,以及隔水管紧急解脱失效的潜在后果,采用模糊事故树和事件序列图相结合的方法,建立隔水管紧急解脱失效后果模型;基于映射准则,将模型转换成贝叶斯网络,进行深水钻井隔水管紧急解脱风险的定量分析;研究了紧急解脱动态失效概率和关键致因,并从钻井隔水管系统设计、钻井作业、紧急解脱测试和操作等方面提出预防措施,以降低紧急解脱失效概率;以南海8号钻井平台为研究对象进行案例分析。研究结果表明:1年内隔水管紧急解脱失效的概率区间为0.075 7至0.105 0;台风、不合理的解脱时刻、过提力不足、井口倾角大和内波是导致紧急解脱失效的主要原因;该模型评估结果与实际情况相符合,该方法可用于钻井隔水管紧急解脱失效风险评价。     

快速接头内壁冲蚀规律的数值模拟分析*

为进一步改善快速接头受连续相作用易失效、内壁冲蚀磨损严重的问题,采用CFD软件中的Realizable k-ε湍流模型,对不同入口速度下的快速接头冲蚀磨损情况运用数值模拟方法分析,得到快速接头内部的流场分布及其冲蚀磨损情况。结果表明:快速接头的冲蚀主要集中在管径缩小段的大小管道交界处,且在管径突变处流体的压力、速度会发生明显变化。在粒径不变,其余变量恒定的情况下,入口流速越大,最大冲蚀速率随之增大;改变相同粒径颗粒的质量流率,可以看出最大冲蚀速率与质量流率呈正相关关系。模拟得到的不同入口速度、质量流率下在快速接头中的流动冲蚀规律,可对提高接头使用寿命、液冷散热器的平稳运行提供必要的参考。     

薄膜结构风致振动研究进展

薄膜结构具有质量轻、刚度小、自振频率低的特点 ,因而属于风敏感结构。作用在薄膜结构上的风荷载 ,除与气流本身的特性有关外 ,还与结构在风荷载作用下的位移、速度、加速度等有关 ,从而引起附加的气动力。因此 ,在研究薄膜结构的风致振动时 ,必须考虑流固耦合作用。笔者对薄膜结构的风振研究方法进行了总结 ,主要介绍了简化气弹力学模型方法及简化流体力学解析模型方法 ,并分别用于分析小于临界风速时结构的反应和确定结构的颤振临界风速。     

Risk and characteristics analysis of the flow-induced vibration of the dip tube in opposed multi-burner gasifier

The vibration of dip tube in multi-burner gasifier changes the stress at the connection, causing flange seal failures and high temperature gas erosions with heavy economic losses and industrial accidents. This work aims to reveal the dip tube vibration mechanism, with special focus on obtaining the effect of operational parameters on the fatigue damage and long-term stable operation of gasifiers. A three-dimensional numerical simulation of the water-scrubbing cooling chamber was conducted to obtain the excitation source in the flow field. Then a FSI (fluid-structure interaction) transient dynamics simulation was carried out to investigate the vibration characteristics. Two major flow forms were found: a vertical annular flow near the dip tube outlet in the water-scrubbing cooling chamber; and a gas-liquid coupled flow caused by the syngas entrained the liquid. These two unstable multiphase flow forms exerted an energy excitation on the dip tube, resulting in a self-excited flutter. The dip tube vibration was similar to the first mode of a cantilever beam. The peak frequency was less affected by the initial liquid level and the syngas stream inlet velocity, which was close to its own first natural frequency. Note that, the alternating load generated by vibration may cause fatigue damage, which needs to be specifically considered in the design and manufacturing process of opposed multi-burner gasifier.