阻流器对海底管道自埋效果的数值模拟分析
海底管道环境响应的数值模拟和分析
海底管道环境响应的数值模拟和分析第一章：引言海底油气管道与海洋环境的相互作用关系是人们近些年来关注的话题之一，其中对海洋环境响应的数值模拟和分析是研究的重点。
海底管道所处的海洋环境是极端复杂的，水深、海流、波浪、海水温度、盐度均是影响海底管道环境响应的关键因素。
海底管道的失效可能导致油气泄漏甚至爆炸，对环境和人类生命财产造成严重影响。
因此，研究海底管道环境响应的数值模拟和分析对于确保海底油气管道的安全和稳定运行具有重要的意义。
第二章：海底管道环境特征目前，海底管道所处的海洋环境是极端复杂的，主要表现在以下几个方面：1. 水深：海底管道所处的海洋水深是影响海底管道环境响应的一个重要因素。
水深越深，水压越大，对海底管道的压力影响越明显。
2. 海流：海底管道所处的海洋环境中海流是一个十分复杂的物理过程。
海流的剪切流会给管道带来弯曲和振动的变形；同时，海流也将散布介质（泥沙、生物和底质）输送至海底管道，对管道的磨损和腐蚀产生影响。
3. 波浪：海底管道所处的海洋环境中波浪是一个强烈的力量。
波浪会对管道产生冲击力，不仅会导致管道弯曲变形，而且还会磨损管道表面，甚至导致管道的破坏和断裂。
4. 海水温度和盐度：海水温度和盐度对海底管道的腐蚀和生物附着有着重要的影响。
海水的温度、盐度变化会对海底管道造成相应的应力、腐蚀、生物附着和水化反应的影响。
第三章：海底管道环境响应的数值模拟海底管道环境响应的数值模拟是一种比较常用的研究手段。
它通过数学模型和计算机仿真来模拟海底管道受到各种环境载荷作用后对管道的响应情况。
常见的数值模拟方法有有限元法、有限体积法以及边界元法。
1. 有限元法有限元法是一种常见的数值模拟方法。
它将管道抽象成由多个小单元组成的结构体系，通过节点连接单元，然后通过求解结构体系中的节点位移、应力和应变等信息，来分析管道受到不同载荷作用后响应的情况。
2. 有限体积法有限体积法是一种数值计算方法，在求解流体力学问题时尤为常见。
海底管线溢油的数值模拟
海底管线溢油的数值模拟
海底管线溢油的数值模拟
摘要：采用VOF方法,选择压力速度耦合的PISO算法建立海底管道孔口溢油预测模型.模拟油滴在浮力的作用下的上浮过程,分析比较不同管内压力和不同水流速度条件下的.溢油量、油滴漂移扩散轨迹.计算结果表明,管道内压力直接影响单位时间溢油量,而水流速度等海况条件是影响溢油行为和归宿的重要因素之一.数值模拟方法可为溢油应急决策提供理论依据.作者：高清军褚云峰林建国GAO Qing-jun ZHU Yun-feng LIN Jian-guo 作者单位：高清军,林建国,GAO Qing-jun,LIN Jian-guo(大连海事大学,环境科学与工程学院,辽宁,大连,116026)
褚云峰,ZHU Yun-feng(中国石油集团海洋工程有限公司,北京,100176)
期刊：大连海事大学学报ISTICPKU Journal：JOURNAL OF DALIAN MARITIME UNIVERSITY 年，卷(期)：2007, 33(z2) 分类号：X55 关键词：海底管线溢油预测模型管内压力水流速度。
海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟
收稿日期：2001-11-02；修改日期：2002-10-30 基金项目：辽宁省科学技术基金资助项目(972240)
问题。 笔者利用新近改造完成的 MTS 水下振动台， 考虑多种因素完成在输入正弦波荷载下海底悬跨 管道动力模型试验。本文根据试验数据，分析了海 底悬跨管道在动力荷载下的反应特点和影响因素。 并根据 Morison 方程建立的海底悬跨管线在地震作 用下的动力方程数值模拟海底悬跨管线的动力反 应。并与试验结果进行了比较，两者拟合得较好。
-6 x
式中： E 为管道弹性模量； I 为管道截面惯性矩； m 为管道单位长度质量，包括动水附加质量、管道
800 600 400 200 0 0 0.2 0.4 0.6
εm
a
0.8
1
x/L0 图1 Fig.1 陆地和水中管道最大应变沿管轴方向的变化 Distribution of maximum strain along axial direction of terrestrial pipe and submarine pipe
4
试验数据分析和数值模拟比较
4.1 试验概况 利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点 试验室新近改造完成的水平与垂直两向激振的水 下振动台进行海底悬跨管道模型试验。模型材料采 用 PVC 管。 模型外径 R m =110mm， 壁厚 t p =2.8mm， 模型材料动弹性模量 E m =5000MPa ，密度 ρ =1.72 ×103kg/m3。 为了保证原型和模型中液体质量密度的比值 与模型和原型管道材料质量密度比值相等，要对模 型管道进行配重。根据公式(3)，采用铅环对模型管 道进行配重。 为便于发现试验结果的规律性，试验中动力输 入为每种工况下与管道基频相等的水平方向正弦 波。 根据本文第 2 部分的相似关系计算得到各参数 比尺，实现试验量测的模型反应数据与原型反应量
海底管道流固耦合振动数值模拟_吴钰骅
开发 , 进行流固耦合振动特性探讨 .海流流经海底管
道会对海底管道产生拖拽力 FD 和上举力 FL 的作用 .
本文采用的 New mark-β 法是时程分析逐步积 分法 , 表达式如下 : ωi+1 =Fi＊+1/ K ＊ ,
海底管道流固耦合振动数值模拟
吴钰骅1, 3 , 金伟良1 , 龚顺风1 , 张恩勇2 , 粟 京2
(1 .浙江大学 结构工程研究所 , 浙江 杭州 310027 ;2 .中国海洋石油总公司研究 中心 , 北京 100027 ; 3 .湖州市规划与建设局 , 浙江 湖州 313000)
摘 要 :将海底管道简化为圆柱体 , 管道刚 度简化 为弹簧 , 结合 在壁面 附近进行 低雷 诺数 修正的 k-ω流体 分析 模 型 , 采用 N ew mark-β 法进行二次开发 , 建立 了海底管道二维流固耦合振动计算模型 .对静止圆柱 体在不同间隙比情 况的 激振力变化规律进行分析 , 发现间隙比为 0.4 时易引起顺流向共振 , 间隙比 为 0.8 时易引 起横流向 共振 .采 用 数值模拟分析探讨流固耦合状态下涡激振动特点 , 提出了流 固耦合 时涡激振 动激振 基频的 修正计 算方法 , 结构 振 动各参量在横向共振响应频率为流固耦合激振力基频 , 而顺流向为基频的两倍 . 关键词 :k-ω模型 ;New mark- β 法 ;间隙比 ;流固耦合 ;基频 中图分类号 :T V312 文献标识码 :A 文章编号 :1008-973X(2009)04-0782-07
Submarine pipeline vibration considering fluid-structure interaction
海底管道悬空治理数值模拟
文章编号押2096-4730穴2020雪05-0458-08·研究简报·海底管道悬空治理数值模拟单潜瑜1,2,白兴兰2,3(1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院,浙江舟山316022;2.浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022;3.浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山316022)摘要：依据DNV-RP-F105规范,运用有限元软件ABAQUS构建了舟山海域某悬跨输气管道许可长度的计算模型。
从动力角度研究了边界条件和轴向力对悬跨段的影响,并计算了不同工况下的许可长度,发现结果与规范方法、避免涡激共振方法相符。
同时针对确定的悬跨管道进行数值模拟分析,对悬跨管道改变支撑尺寸、包裹长度等参数进行敏感性分析,根据位移响应时程曲线来确定更优的参数。
最后,综合治理效果与成本控制,将优化的钢架支撑和沙袋覆盖治理方案进行对比分析。
关键词：海底管道;管土耦合分析;悬跨管道;许可长度;悬空治理中图分类号：TE973.92文献标识码：ANumerical Simulation of Submarine Pipeline Suspension TreatmentSHAN Qian-yu1,2,BAI Xing-lan2,3(1.School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan316022;2.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan316022;3.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan316022,China)Abstract:According to the DNV-RP-F105,a computational model of the submarine gas pipe in Zhoushan is established to achieve a permissible free spanning length using the software ABAQUS.The influence of bound-ary conditions and axial forces on the suspended pipe is studied through dynamic analysis,and the allowable lengths under different cases are calculated,which are found to be consistent with the traditional method.The dynamic response of submarine pipelines are observed considering the pipe-soil coupling,and the sensitivity analysis of parameters,such as support size and package length of the suspended pipeline,is carried out.The better parameters are determined by the time history curve of displacement response.Finally,the hanging con-trol,such as optimized steel frame support and sandbag cover,are compare and analyzed according to the effi-ciency and cost.收稿日期:2019-02-26基金项目:国家自然科学基金(51879238);浙江省公益技术研究计划项目(LGF18E090008)作者简介:单潜瑜(1994-),男,浙江嵊州人,硕士研究生,研究方向:海底管道悬空治理的数值模拟.通信作者：白兴兰(1980-),女,教授,博士,研究方向:海洋管道结构动力分析与优化设计.E-mail:*****************第5期Key words:submarine pipeline;pipe-soil coupling analysis;free span pipeline;allowable length;suspen -sion treatment 在工程设计过程中,确定悬空管道的临界长度,一般采用以下方法[1]:(1)静态强度方法:运用MOUSEL -LI [2]确定的管道悬跨长度与管道内静弯曲应力之间的函数关系,最大静弯曲应力不超过材料许用应力,确定许可跨长;(2)动态响应方法:将避免共振作为控制条件来计算临界跨长,即在海流作用下不发生涡激共振;(3)极限分析验算:结合以上两种分析结果,基于DNV-RP-F105规范,以有限元法及Miner 线性累积损伤理论为依据,计算管道静应力及涡激振动引发的最大弯曲应力的合应力是否满足安全要求,确定管道悬跨长度。
海底悬空管道的动力学模态分析
海底悬空管道的动力学分析王朝晖张宏（北京石油大学机电工程学院 102200）1 引言海上开发出来的油气大多是通过海底管道的形式进行输送的。
近海海底管道浅埋在海床的泥沙里，由于受海流的冲刷作用，有可能裸露出来，形成悬空管段。
悬空管段在各种海洋动力因素的影响下会出现随机振动，长期的振动影响会缩短管线的使用寿命，影响正常的油田生产。
目前，对于海底水平悬空管道的动力学研究还有很多不足；主要体现在有限元计算模型的建立上，即如何正确地模拟悬空管道结构及其边界条件。
本文尝试建立海底水平悬空管道的三维有限元计算模型，用Kelvin和Maxwell粘弹性模型近似模拟海底土壤对于管道的边界效应，并用该模型做了动力学模态分析和响应计算，且进一步提出了悬空海底管道的寿命预测模型，为今后对海底悬空管道的强度分析和寿命预测提供了新的参考方法。
2 海底管道有限元模型的建立2.1 问题的描述从我们得到的埕岛油田悬空管道的实际情况如下：管道为内外双层钢结构，内层为输油管，外层为保护管，两层钢管材质均为16Mn钢，在两层钢管的夹层中为“黄甲克”保温层。
从现场勘测来看，有两种悬空情况：1. 管道上岸水平悬空，管道登陆一端固定于岸基，另一端掩埋于近岸海底淤泥中。
2. 管道上平台水平悬空，管道一端固定于平台上，另一端掩埋于平台附近海底淤泥中。
3. 悬空管道的两端均掩埋于近岸海底淤泥中。
图1 管道上岸与上平台的悬空情况图2 悬空管道的两端均掩埋于近岸海底淤泥中4. 具体材料属性数据如下：1）内管：杨氏弹性模量：211/101.2m N ×泊松比：3.0管材密度（钢材密度加原油折算密度）：124083/4.m kg 温层：杨氏弹性模量：29/10181.3m N ×泊松比：035.保温层密度：603/m kg 外管：杨氏弹性模量： 211/101.2m N ×泊松比：3.0管材密度（钢材密度）：7850 3/m kg 2.2 水平悬空管道分析中的几个假设1.水平悬空管道始终是线弹性的。
海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算
海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算杨少鹏;拾兵【摘要】针对海底管线在输送石油过程中出现的管线冲刷问题,采用物理模型试验并控制一系列不同的试验变量,研究了单向恒定流作用下,海底管线未安装阻流器、安装阻流器及不同间隙比作用下,其下方海床冲刷深度的变化规律.试验结果显示,冲刷深度随雷诺数及阻流器高度的增加而增加;冲刷深度随间隙比的增大而减小,同时根据海床冲刷停止的流速公式(冲止流速),认为动水休止角是冲止流速的主要影响参数.利用流体的连续性条件,从不同角度推导了管线安装阻流器且有间隙比条件下冲刷坑深度的计算公式.结果表明:冲止流速、管线周围流场分布是冲刷深度的决定因素.经试验数据与计算公式的对比验证发现,计算值与试验值吻合良好,本文建立的公式能反应冲刷坑深度的变化规律,在实际工程应用中可适当参考此公式.%Aiming at the pipeline scour appearing during oil transportation,a physical model was adopted in experi-ments and a series of different test variables was controlled. Changes in the depth of scour hole underneath the pipeline were studied under the action of unidirectional steady flow and the following conditions:installing spoiler, not installing spoiler,and different gap ratio. Results demonstrated that the scour depth of the underneath seabed increased with the increase in Reynolds number and spoiler height but decreased following the rise in the gap ratio. In accordance with the formula of erosion-stopping flowing velocity,the repose angle of flowing water was the main parameter influencing the erosion-stopping flowing velocity. By utilizing the condition of fluid continuity,a calcula-tion formula on the depth of the scour hole was deduced from different viewpoints andunder the following condi-tions:the pipeline was installed with spoiler under a gap ratio. The erosion-stopping flowing velocity and the distri-bution of flow field around the pipeline were the decisive factors of scour depth. By comparing the calculation re-sults with the experimentaldata,the calculation values and test values coincided well. Therefore,the formula could reflect the changes in the depth of the scour hole,and the formula can be properly referred to in actual engineering applications.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】6页(P984-989)【关键词】海底管线;单向恒定流;阻流器;间隙比;冲止流速;动水休止角;流场分布;冲刷深度【作者】杨少鹏;拾兵【作者单位】中国海洋大学工程学院,山东青岛266100;中国海洋大学工程学院,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】TV131.61近年来，由于陆地资源的枯竭和海上油气田的大量发现，世界各国都开始重视海上油气田的开发和利用，因此海底管线在海工建筑中应用越来越广泛，但由于受复杂海洋环境的影响，铺设在沙质海床上的海底管线极易发生局部冲刷，造成管线悬空，从而引起涡激振动，而这种振动是造成管线失事的主要原因[1]。
海底管线二维湍流与局部冲刷数值模拟_孙娅
中图分类号： Ｐ ７５６， ＴＮ９２９．３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００６－ ８４４９（ ２００８） ０４－ ００７９－ ０４
０ 引言
当海底管线置于海床上时， 管线附近的流动对于 海底建筑物来说是一个非常重要的工程现象。冲刷对 河流和海流下的一些输运管线的稳定会造成很大的 威胁， 有关水中管线冲刷的防护和维修的费用也是非 常高的。通过对管线附近局部冲刷的计算， 我们希望 能为工程实践提供一定的参考信息。如果能提早知道 管线附近的冲刷情况， 这对人们进行海底管线的建设 和如何对底面进行适当的防护将有很大的参考价值。
式中 θｃｒｂ０ —临界 Ｓｈｅｉｌｄｓ 值， 取 ０．０５； γ—斜面倾角，（ °） 。
该式与 Ｆｒｅｄｓｏｅ ＆ Ｄｅｉｇａａｒｄ（ １９９２） ［４］和钱宁 ＆ 万兆 惠（ １９８３） 的表达式是完全一致的。
依据。 （ １） 边界条件的处理。对于进口边界， 速度矢量是
给定的。由此可以计算出进口的质量流量。压力由计算 域内部外推倒边界上。对于出口边界上的速度值可以 采用外推的方法由流场内部得到， 但当出口边界离圆
Ｄ
流及涡漩， 管后的尾涡等等， 考虑目前的计算能力和现 有的湍流模式， 本文采用了 ｋ－ ω湍流模式， 计算结果 表明该湍流模式是可行的。
（ ２） 本 文 采 用 的 基 于 ＦＶＭ 和 ＳＩＭＰＬＥ［９］算 法 的 二 维湍流数值模型能够比较准确地模拟管线附近二维流 动的一些特殊现象， 如管线附近的速度场和压力场分
－ ０．５ ０．０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３．５ ｘ ｃ）
Ｔ ／ Ｎ ／ ｍ２
１．０ ０．８ ０．６ ０．４ ０．２ ０．０ － ０．２ － ０．４ － ０．６
砂质海底管土相互作用的数值模拟
图4
管重与沉降量的关系
图5
沉降量与试验的比较图
由图 4 可知 , 当管道直径 D = 0. 4m 时 , 多孔弹性和弹塑性两种模型的计算情况一致 , 非线性弹性模型 偏小 , 但无试验数据。 由图 5 可知 , D = 1. 0m 时, 弹塑性模型计算结果与试验一致 , 非线性弹性模型的计算结果偏小。表明 在沉降量方面, 多孔弹性模型和弹塑性模型的计算结果和试验情况相符 , 但非线性弹性认为土体是弹性的, 其计算结果偏小。 ( 2) 土体侧向隆起现象 D. W. A llen [ 4] 对管道的运动情况进行了详细描述, 发现管道侧向位移的同时 , 管道下方的土体发生侧向 隆起 , 如图 6 所示。本文的计算也得到类似现象, 如图 7 所示。而不同模型隆起的程度不同 , 非线性弹性模 型的模形与管径的比值为 0. 064, 多孔弹性模型的比值为 0. 0575, 弹塑性模型的比值为 0. 075。从而说明计 算所得到现象与试验现象具有可比性。 ( 3) 侧向阻力系数 D. A. W anger et ad 分别进行了单调加载和微幅振动加载试验 , 微幅振动加载试验的侧向阻力系数为 0. 888, 比库仑摩擦系数 0. 7 大得多 , 这是由于土体侧向隆起的存在, 导致侧向阻力大于库仑摩擦阻力。本文 计算结果如下: 非线性弹性模型侧向阻力系数平均值为 0. 78; 弹塑性模型的侧向阻力系数值为 0. 897, 也比
在该模型中土体对管道的侧向阻力fh为库仑摩擦阻力ff和被动土压力fr所示这些结论已经归结到美国天然气协会aga和挪威船级社所制订的海底管线的稳定性设计规范中10进行了水动力条件下的管土相互作用试验除得到与前人类似的结果外并对其物理机制进行了更明确的解释还指出波管土动力耦合中的管道失稳问题是床面以上的涡流和床面以下渗流共同作用的结果即渗透性起着很重要的作用
海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述_史宏达
第３０卷第４期海 岸 工 程２０１１年１２月文章编号：１００２－３６８２（２０１１）０４－００７６－０８海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述史宏达，张 嶔，马 哲，刘 臻（中国海洋大学工程学院，山东青岛２６６１００）摘 要：海底管线局部冲刷的数值模拟研究已经有３０ａ的历史。
文章描述了海底管线局部冲刷的机理，回顾了国内外对于管线冲刷问题数值模型研究的情况，根据不同模型进行了分类描述，并进行了简单的比较，为该领域的进一步研究提供参考。
关键词：海底管线；局部冲刷；数值模型中图分类号：Ｐ７５４ 文献标识码：Ａ海底管线是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分，在海洋油气资源的开发中发挥着重大的作用，被喻为海上油气田的“生命线”。
海底冲刷对海洋结构物的安全威胁很大，对于海底管线，冲刷会使其外裸、悬空，这时管线可能会因波浪和潮流的作用而破坏。
对海底管线局部冲刷问题的研究中数值模拟研究长时间落后于物理模型试验研究，但最近３０ａ，随着计算机技术的发展，数值模拟研究进展的十分迅速，取得了长足的进步。
１ 冲刷现象的描述在海底海洋环境中，海底管线等海洋结构物的出现会改变其附近区域的水流流态，导致产生如下这些现象：１）上游来流在管道前侧集中；２）在管道迎流侧形成马蹄形漩涡；３）在管道背流侧形成尾迹漩涡，并有可能产生周期性的漩涡泄放；４）水流出现紊动现象；５）波浪发生反射和绕射；６）波浪可能破碎；７）海底管道上游侧较高的滞点压力和下游侧相对较小的尾流压力引起的压力梯度，可能导致在管道底部的土中发生“管涌”，使得部分床沙被来流冲走。
以上这些现象的发生，通常会引起局部沉积物输送能力的增加，即产生冲刷［１］。
２ 海底管线冲刷机理管线局部冲刷可分为两个阶段：１）管线迎流面和背流面存在一定流体压差，导致管线＊收稿日期：２０１０－１０－１８资助项目：山东省科技攻关计划项目———沉箱防波堤兼作波力发电气室的捕能效果研究（２００９ＧＧ１０００５００２）作者简介：史宏达（１９６７－），男，教授，主要从事港口海岸及近海工程方面研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｄ＿ｓｈｉ＠ｏｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ（杜素兰 编辑）第３０卷史宏达，等：海底管线局部冲刷问题数值模拟研究综述７７下方土体在渗流作用下出现管涌现象，标志着管线局部冲刷开始起动。
海底管道周围局部冲刷数值模拟分析
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图１管道垂直方向受力图
Ｓｔｒｏｕｈａｌ数表示涡脱落的频率。Ｓｔｒｏｕｈａｌ数Ｓ定义为Ｓ产 ＪＤ／Ｕｏ，其中，．为涡的脱落频率，砜为来流流速。图１为竖向方 向管道受力图纵坐标为受力系数，横坐标为时间周期。通过 图ｌ可得到涡脱落周期为Ｔ－－０．０２９ ６ ｓ则其数值模拟得到的 Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．２２５，在同等的状况下，Ｍａｏ（１９８６）１３１通过实验 得到的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．２３，Ｂｒ∥ｒｓ（１９９９）Ｉｌｌ通过数值模拟得到 的Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．２２６，可见所建模型与实验及数模结果吻 合。图２给出了一个涡脱落周期内管道周围流场变化过程， 可见所建紊流模型能够较好模拟管道后方水流的紊流状态。鲁＋耋：０瓠砂
（２）
式中：毛，，为两个无因次坐标分量；屿”为在第ｘ，ｙ个坐标
方向的无因次速度分量；ｐ为无因次压力；ｆ为时间；Ｒｅ为雷
诺数。当研究流与圆柱的相互作用时，雷诺数Ｒｅ的定义为 Ｒｅ＝ＵＤ／ｔ，，其中Ｕ为水流速度，Ｄ为圆柱直径，ｌ，为水分子粘
性微剪应力科（考＋鲁一弘蠡为无瞰湍流
运动能朋为紊动粘性系数。磊为克罗奈克函数。 由此基本方程构成的方程组并不封闭，本数值模型采用
海底管道周围海床冲刷问题涉及流体力学、泥沙运动 学、工程地质学等多学科。目前国内，有关海底管道的研究多 局限于管道的腐蚀破坏及管道的受力分析，对于海底管道附 近海床冲刷的研究多以试验研究为主，由于模型实验有研究 成本高，模型比尺影响明显等不足，应用受到了一定的限制， 因此相关的数值模型应运而生。在数值模拟方面，由于紊流 剪切流、泥沙输送、床面变化之间复杂的相互作用，目前多以 流单独作用下二维的、床面由均匀无黏性沙构成的理想情况 居多。数值模型可分为势流模型和紊流模型，势流模型可以 比较准确地预测管道下方的最大冲刷深度和管道上游方向 的地形，但是对管道下游方向的缓坡地形却预测得不够准 确。因此势流模型总体上不够准确。因此本文将建立紊流模 型来模拟管道周围流场，采用动网格技术来模拟海床底面变 化，泥沙输运同时考虑悬移质输沙和推移质输沙。
海底埋地热油管道泄漏扩散的数值模拟
海底埋地热油管道泄漏扩散的数值模拟刘瑞凯，吴明，朱本光，冯云飞（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院辽宁抚顺 113001）摘要:采用有限容积法建立海底饱和含水淤泥多孔介质的流固耦合传热模型。
利用FLUENT软件数值模拟了海底埋地输油管道输送过程中海泥温度场变化及原油在海泥中的分布规律。
分析了原油泄漏后在海水中的分布规律。
对泄漏后海泥温度场的模拟表明：管道泄漏后，一定时间内管道周围海泥温度波动比较剧烈，由于受海底温度的影响，泄漏前锋原油温降较快，热影响区范围变化逐渐趋于平稳。
且随泄漏位置的不同，海泥温度场变化及海泥原油分布差异较大。
当原油从海底海泥介质中到达海水底层后，在海水浮力的作用下流向海面，流动过程受到海水流动速度海平面风速等因素的影响。
为以温度传输为基础的海底埋地管道泄漏检测提供了一定的理论基础。
关键词：海底管道；泄露；含水多孔介质;数值模拟The submarine buried hot oil pipeline leakage and diffusion numerical simulationLiu Rui kai, Wu Ming, Zhu Ben guang, Feng Yun fei( Liaoning Shihua University College of petroleum engineering Liaoning Fushun 113001 )Abstract: Build a fluid solid coupling heat transfer model of submarine saturated silt porous media, using the Finite Volume method. With the use of FLUENT software, numerical simulate the changes of mud temperature in the submarine oil pipeline buried in mud conveying process and the distribution rule of crude oil in mud. Also analyze the distribution rule of crude oil leaking in the sea water.The simulation on oil-leaked mud temperature indicates: Within a certain period of time, when the pipeline leaks, the temperature of the mud near the pipeline fluctuates relatively severe. Due to the influence of the temperature on the bottom of the sea, the temperature of fo rward leaked crude oil drops faster, and the heat affected zone turns gradually stabilized. And with the different position of the oil leakage, temperature of the mud changes and the mud oil distribution is different.When the crude oil reaches the sea bottom from the sea bed mud medium, it will flows to the sea surface, with the faction of seawater buoyancy. The flow process is affected by the flowing speed of the sea and the sea surface wind and other factors. It provides certain theory basis for the submarine buried pipeline leak detection which is based on the temperature transmission.Key words: Submarine pipeline; Leakage ;Aqueous porous medium; Numerical simulation引言随着海上油气资源的不断开发，海底管道作为一种相对稳定的输送方式，在未来的海洋油气资源开发中将会得到更多的应用。
杭州湾海底管道铺设技术
油 气 储 运 2005年 施工技术杭州湾海底管道铺设技术夏于飞3(中国石化股份有限公司销售公司)顾建宁 杜晓慧 杨全友(中国石化管道储运分公司)夏于飞 顾建宁等:杭州湾海底管道铺设技术,油气储运,2005,24(8)44～46。
摘 要 介绍了甬沪宁进口原油管道杭州湾海底管道穿越工程,针对杭州湾特殊的自然环境,确定采用自掩埋法,并在管道顶部安装阻流器,增加管道的稳定性。
通过比选确定,在北岸段较陡峭的海坡处,采用水平定向钻施工方法,入土点及出土点均在海水中。
在南岸拖管施工中,创造了大口径海底管道拖管3400m 的纪录。
主题词 海底 原油管道 施工 阻流器 定向钻 拖管一、海底管道穿越工程概况 甬沪宁原油管道(宁波—上海—南京)杭州湾海底穿越工程自宁波大榭港开始至慈溪市入海,穿越杭州湾,在北岸平湖市上岸,最终到达上海和南京的大型炼化企业。
杭州湾海底管道穿越工程包括3条长度均为53.5km 的管道,这3条管道间隔50m ,相互平行,自西向东,直径分别为711mm 、762mm 和273mm ,其中直径为711mm 的原油管道需要最早投入使用,以尽快满足炼化企业的需要。
直径为762mm 的原油管道和直径为273mm 的石脑油管道同时铺设。
杭州湾海域是世界上海况最为恶劣的3个海湾之一,美国休斯顿的海湾洲际工程公司(GI E )通过对现场施工环境的初步调查发现,管道穿越杭州湾非常困难,特别是在农历的大潮时期(钱塘江大潮),水流速度最高可达4.883m /s (见表1)。
在管道设计中,经过支持性研究和对浙江省水利水电河口海岸研究设计院(ZI CER )汇总的40多年来历史数据的研究,得出了海床动态剖面特征,即杭州湾海床淤积和冲刷的趋势不尽一致,数据显示了淤积和冲刷转换的历史过程,曾经淤积的区域不久又会发生冲刷作用,且在冲刷和淤积时期海床高度差超过6m ,这些海床动态变化的情况是指导设计和施工方案的一个必要基础。
阻流器技术在海底管道铺设项目中的应用
时实 测 ） 。 因此 ， 在杭 州湾海 域铺 设 海 底 管道 极其 困难 ， 在 阴历 的大 潮 时期 ， 流速 度可达 ９５节左右 。 水 ． 在方案设 计 中 ， 以浙 江 省 水 利 水 电河 口海 岸 研究设计 院 （ＩＥ 汇 总 的 四 十 多年 来 勘 测 历 史 ＺＣ Ｒ） 数 据 的研究 ， 为 指 导 设 计 和 施 工 方 案 的 一 个 必 作
要基 础 。因冲 刷 和 淤 积 ，０年 期 间 的海 床 动 态变 ４
作者 简介： 于飞（９ １ ） 男， 苏泰 州人 。１８ 夏 １６一 ， 江 ９６年 毕业于 中国科 技 大学应 用化 学专 业， 硕士 学位 ， 获 教
授级 高级 工程师 。现 为 中国石 油化工 股份 有 限公 司
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酗管技术
Ｐｏｃｈｅ化ｌ设ｓ 石 ｍｉ工 Ｄｅ ｉｎ 油ｃ 计 ｅｒ ｔ ａ ｇ
２ ０ ２（） ０ ８ ５２
，
２ ～０ 铺 设 项 目中 的应 用
夏 于飞 ，顾 建 宁２
（． １ 中国石 油化工股份有 限公 司销售事业部 ， 北京 １０２ ； ． ００９ ２ 中国石化管道储运公 司 ， 江苏 徐 州 ２１０ ） ２０８
速率 的 问题 。 水流速 度 比较 ： 墨西 哥海湾 为 ０ ９～１ １ ； ． ． 节 爪 哇海 为 ０ ８～１０节 ； 加 坡海 峡 为 ２ ０～６ ０节 ； ． ． 新 ． ． 北海 为 ３ ０ ． ． ～６ ０节 ； 州 湾 为 ２ ２～９ ５节 （ 工 杭 ． ． 施
道效 应就 会 重新 开始 ， 得 管 线 的顶 部 埋 于 自然 使 海床 平面 之下 至少 一个管 径 的深度 。 （） ２杭州 湾 的海 床研 究 ， 期会 有 较 好 的动 力 预
海底宏渗漏气体走航式海洋电阻率法探测效果模拟与观测系统设计
海底宏渗漏气体走航式海洋电阻率法探测效果模拟与观测系统设计尚可旭;郭秀军;吴景鑫【摘要】为实现海底宏渗漏气体连续调查,提出了一种走航式海洋电阻率探测技术.根据前人原位观测资料和含气水体电阻率特征构建地电模型;采用数值模拟和室内试验方法获得不同参数电阻率映像剖面,分析确定探测剖面异常特征,评价探测效果.在此基础上进一步进行了探测系统设计和实验测试.研究结果表明,走航式海洋电法探测电缆可由2 个供电电流极和8 个电位测量极组成,电位极距需小于0.05 m;测量可采用偶极装置通过并行采集方式实现.气体分布区表现为高阻异常,异常模式由走航速度、排列长度和气体分布区横向宽度共同决定,可分为 7 种情形;探测电阻率极大值和气体喷出流速存在正相关指数关系.该技术可实现气体分布范围和喷出速率快速探测.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2019(041)001【总页数】9页(P142-150)【关键词】海洋电阻率法;冷泉;海底渗漏;羽状流;电阻率异常特征【作者】尚可旭;郭秀军;吴景鑫【作者单位】中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100;中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100;山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东青岛266100;海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛 266100;中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100【正文语种】中文【中图分类】P7141 引言海底宏渗漏是海洋物质循环和能量交换的重要形式，渗漏气体主要包括热分解和生物降解后产生的水分、碳氢化合物、硫化氢或二氧化碳等，以碳氢化合物为主。
进行海底宏渗漏气体调查可为海洋物质循环、海洋生物、海洋地球化学和海洋生态过程研究提供重要证据。
当前，海底宏渗漏气体原位监测手段主要有体积排空法[1]，光学[2]及声学测量方法[3]。
体积排空法和光学测量属于点测方法，可确定小范围气泡群喷出速率、规模。
主动声呐和水听器等声学测量方法利用气泡柱反射回波的强度和声音信号间接检测海洋中的气泡流量[4-7]，同样难以应用于大区域海底探测。
水下埋地管道泄漏数值模拟
水下埋地管道泄漏数值模拟石龙;马贵阳;王鑫;史俊杰;金贞旭【摘要】Pipeline leak is a typical accidence of long-distance pipeline, andis also an impotent reason to cause some other accidents. Because of effect of a variety of factors on underwater buried pipeline, experiment research on underwater buried pipeline leak is very difficult. In this paper, the simulation software was used to simulate the leak process of underwater buried pipeline with different drain port under different water flow velocity. By studying the leak oil phase movement along with change of the leak rate and water flow velocity, leak oil moving rule of the underwater buried pipeline leak in the practical project was gained. Effectof the leak rate and water flow velocity on the current leak oil was analyzed. The results show that simulated results and the theoretical value are in good agreement. The result can provide a theoretical guidance for establishing operation and maintenance technology system of underwater buried pipeline.%管道泄漏是长输管道的典型事故，也是引起其他一些事故的重要原因。
海洋立管系统严重段塞流瞬态数值模拟
海洋立管系统严重段塞流瞬态数值模拟宋博;李桐宇;王卫强;于爽;王红梅【摘要】针对海底油气混输管线中常见的立管系统,采用OLGA多相流瞬态模拟软件,对立管系统中出现的严重段塞流进行了数值模拟.根据实际情况,建立基于双流体模型的物理模型,结合海底管道实际工况,设置相应边界条件,分析了不同流量下的流态流型、压力、持液率等参数随时间的变化特性.研究结果表明,在不同流量产生的严重段塞流下,立管系统中流态流型、压力、持液率等特性参数具有明显的周期性变化规律,流量对严重段塞流的形成及其流动参数影响很大.研究结果对实际生产和管路结构优化具有指导意义,可为复杂流动现象的预测和控制提供一种新的手段.【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】5页(P34-38)【关键词】立管系统;严重段塞流;瞬态模拟;流量;周期性【作者】宋博;李桐宇;王卫强;于爽;王红梅【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001;中国石油湖南销售公司非油品业务中心,湖南长沙410000【正文语种】中文【中图分类】TE53随着我国陆上油气资源的大量开采，许多油气田产量已经明显下降，大力开发海底油气资源将成为我国石油行业未来的主要着眼点[1-2]。
海底油气运输主要依靠立管系统实现，该系统由随地形起伏的海底部分和连接到海洋平台的立管部分组成[3]。
然而，在油气混输立管系统中易形成特殊的有害流型——严重段塞流[4-6]。
因此，为了海上油气集输系统的安全运行，有必要对严重段塞流的产生机理及流动特性进行深入研究。
本文采用OLGA软件中的扩展双流体模型。
双流体模型可以对多相流进行求解，可以得到持液率、液塞长度、段塞流数量、气液相折算速度等相关信息，是目前常用的多相流模型之一。
一种新型的海底管道自埋施工技术研究
第一阶段的浅沟侵蚀，管道下沉
部分埋深
开始淤泥侵蚀 管道处于脊顶
第二阶段的浅沟侵蚀，管道下沉 第二阶段的部分埋入 海床 自 然回填，管道完全埋入
水文地质条件较适宜应用 Ｓ Ｐ Ｏ ＬＥ Ｉ Ｒ 。
表Ｉ Ｓ ｐ Βιβλιοθήκη Ｉ Ｌ Ｅ Ｒ的应用条件 管道埋入方式 海床上层地质成分 沙土＋最大 １ ０ ％淤泥 沙土＋最大 ２ ０ ％淤泥
水 流流速 （ ｍ／ ５ ）
＞０ ， ８ ＞０ ． ４
图 ２ 安装 Ｓ Ｐ Ｏ ＬＥ Ｉ Ｒ后管道的自然埋入过程
荷兰 Ｓ Ｐ Ｓ 公司的试验结果证明， 当周围水流和 海床地质条件允许时， Ｓ Ｐ Ｏ Ｉ Ｌ Ｅ Ｒ可以加速管道的自 然埋入过程 ， 在环境易变的区域可以减少涡旋引起 的振颤（ Ｖ Ｉ Ｖ ） ， 保证管道的稳定性 ， 防止管道向上弯 曲变形 ， 通过持续的管道重埋入 ， 可以最大限度地减 少管道的悬空矫正作业。 管道安装 Ｓ Ｐ Ｏ Ｉ Ｌ Ｅ Ｒ后 ， 在水源流动充足， 并且 管道所在的海床组成成分适宜时， 管道将会很快地 自然埋人。在强潮流侵袭海床上方的管道之前， 管 道便已处于稳定位置。Ｓ Ｐ Ｏ Ｉ Ｌ Ｅ Ｒ不仅能使管道 自 然埋人 ， 提高管道的稳定性 ， 而且在没有恶劣环境影
主题词 海底管道 敷设 Ｓ Ｐ Ｏ Ｉ Ｌ Ｅ Ｒ技术 应用
一、 前
二 Ｌ决
－ ￣ ￣￣￣ 白 ￣￣￣ ￣Ｊ‘
Ｓ Ｐ Ｏ ＬＥ Ｉ Ｒ与传统的设计和亚洲地区的传统技术模
式不同， 实际应用受限于特定的水文地质条件 ， 目前 在亚洲地区尚未广泛应用。根据杭州湾海底的水流 地质考察结果 ， 对该技术在杭州湾海底管道穿越 中
的应用进行了研究和评估， 决定在杭州湾 Ｋ Ｐ Ｚ ． ４ 管 段至 Ｋ Ｐ ９． ４ ５ 管段上应用 ， ２ 其余管段则采用传统技
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２０ 年 ０７
第３ ５卷
第 ６期
王 学超 等 ：阻流器对海底管道 自埋效果 的数值模拟 分析
定 的埋 人位 置 ，下埋 深度 可达 Ｉ０～１５倍 管径 。 ． ． （ ）抑 制涡 激 振 动 ，有 助 于 防 止 管 道 由于 上 ４
乎重合。通过 比较 可以看 出，在 阻流器的影响下 ， 在横坐标为零处 的压力系数变化最大 ，也就是说在 管道的顶部和底部 压力 系数变化最大。由此可见 ， 管 道上 的 阻流器 对管 道 的压力 系数 有显 著影 响 。
１ 析模 型 ．分
１ ． 鼍一 表 出 一
用 Ｆ Ｕ Ｎ ｌ模 拟 海流对 带 有 阻流 器 的管 道进 Ｌ Ｅ Ｔ４
行冲刷 ，研究流场 的特点及管道 的受力等情况。在 本次模拟分析中，只考虑海流的作用 ， 波浪的作用
忽略不 计 。
一
４０ ０
—２ ０ ０
０
２０ ０
４ ０ ０
（ ）无需 机械挖 沟作业 ，节省设备 、人工 和 １
海 上作业 费用 。
（ ）阻流板 材料 和制作 费 用低 ，安 装方 便 ， ２
基本不影响原有的铺管作业程序。 （ ）管道 可快 速 下 沉 和在 较 短 时 间 内达 到 稳 ３
基金项 目：中国石油化工 股份有 限公司科技开发部 资助项 目 “ 杭州湾海底管道 安全运行与风 险管理技术研究 ” （０ ０ ３ ；国家 ８ ３ ３５ ２ ） ６ 计划 “ 流程工业典型装 置的动态风险分析技术研究 ”（ ０ ６ Ａ ４ ４ ９ 。 ２ ０ Ａ ０ Ｚ ３ ）
种情况下海水对管道冲刷产生的不同影响。通过对 比发现，有阻流器 的管道表面的压力系数在阻 流器 的两侧产生剧烈变化 ，沿水流方 向由正值变为负值 ；升力系数变为负值 ；管道 与海床 间隙中 水流的速度增大，从而使海床受到海水的剪应力也相应增大，海床 易于受冲蚀，有利于实现海底
管道 自埋 。
关 键词
阻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器
海底 管道 自埋 技术
数值 模 拟
自从 １８ ９８年英国首次运用 自埋技术铺设北海 油 田的海底管道以来 ，到 目前为止 ，国外采用 自埋 技术 铺设 的海底 管道 已有数 百 千米 ，均取得 了 良好 的效果。国外研究阻流器将近 ２ Ｏ年 ，研究方法主 要有实验和数值模拟 ２ ，研究内容有阻流器的高 种 度、水流的速度 、雷诺数等 因素对冲刷的影响 ， 但 是研究 主要 是 以稳 定流 的 冲刷为 主 ，浪的冲刷 研究
通过冲刷管道下面的要有实验和数值模拟2种研究内容有阻流器的高小孔洞增大使海底土壤对管道的支撑力越来越度水流的速度雷诺数等因素对冲刷的影响但小当土壤不能支撑管道时管道开始下沉形成是研究主要是以稳定流的冲刷为主浪的冲刷研究自埋
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石
一
油
机
械
８一
Ｃ ＩＡＰＴ Ｏ Ｅ Ｍ Ｍ Ｃ ＩＥ Ｙ ＨＮ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ａ ＨＮ Ｒ
２０ ０ ７年
第３ ５卷
第 ６期
●设计计算
阻流 器 对 海 底 管 道 自埋 效 果 的数值 模 拟分 析
王 学超 赵建平
（ 南京 工业 大学机械 学院）
摘要
在杭州湾海底管道 的埋设 中应用 自埋技术 ，取得 了防止产生管跨和增加管道的稳定性
的理想 效果 。鉴 于此 ，介 绍 了海底 管道 埋 设 的 自埋 原理 ；用 数值模 拟 的方 法 分析 了有 无 阻流器 ２
抬而发生屈 曲，延长管道寿命。 （ ） 管道 自埋 比机 械挖 沟对 海底 环境 影 响小 。 ５
（ ） 阻 流板 有 一 定 的 柔 性 ，在 渔 具 的 冲击 下 ６ 会 弯 曲 ，不 会损 坏拖 网 ，对渔业 不 会造 成损 害 。
： 、 、
一
一一一 一
数值模拟分析、
小 ，当土壤不能支撑管道时 ，管道开始下沉 ，形成
自埋 。
设 中得到首次使 者 介绍 白埋原 理
管 道铺设 中得 到
土 层
埋 设海底管道 是 为 了避 免 波 、流 、抛锚 、拖 网 等对海底管道 造成 破坏 ，常 用的方 法有 机 械挖 沟法
图 １ 阻 流 器 安装 位 置
图 ２ 阻流 器结 构
２ ．实 际效 果
和回填法，但是费用很 高。 自 埋技术费用少 ，工作 量小。从实际地质条件看 ， 从杭州湾湾顶到湾 口泥 沙粒径由粗到细，临近南北岸较粗，中间地带 比较 细，适于采用管道 自 埋技术。 １ ．自埋原 理 所谓 “ 阻流器”是一种安装在管道顶部的倒 Ｔ
、｜ ｍ ｍ
式中 ，
的面 积 。
为 升 力 ，Ａ为 管 壁 垂 直 于来 流 方 向
较少 。在 国内 ，
速 ，这样与净管相比，就更容易在管线周围水速较 低的情况下 ，促使海水 冲蚀海床形 成海沟… 。同
时 ，浅 沟不仅 易 于在 垂 直 方 向 上受 海 水 冲 蚀形 成 ， 而且 易 于沿 管线 横 向形成 。通 过 冲刷 ，管道 下面 的 小孔 洞 增 大 ，使 海 底 土 壤 对 管 道 的 支 撑 力 越 来 越
位 ｍＪ ｍｍ
图 ５ 管道 压 力 系数 分 布 图
建立模型 ：总直径 Ｄ＝ ９ ｎ，其 中包括 管 ７ １ｍ ｌ 道 ｌ ｍ ４３ｍ 和混 凝 土 配 重厚 度 ４ １ ， ｌ ｍ Ｘ１． ｍ ０ １／ ／１ １
水 深 １ ０ｍ，水温 １ ＝ ７ｏ ，水 密度 １ ２ ｇｍ ，阻流 Ｉ ５ｋ／ ０
（ ） 升 力 系数 Ｃ （ｉ ｏｆｃ ｎ） 升力 系数 ２ １ｔ ｅ ｉ ｔ ｆｃ ｆ ｅ ｉ 定义 为
Ｆ
＝
（） ２
Ｍ
器高度 Ｄ ８ ９ ｍ，厚度 ４ｍ ／ ＝ ９ｍ ｍ，流速 ２ｍ ｓ ／ ，海 底管道与海床的间隙为 Ｄ ８ ９ ｎ，网格划分见 ／ ＝ ９ｍ ｌ 图３ 。管道位置如图 ４所示 。
形 结构 物 ，如 图 ｌ 、２所示 。阻流 器 能 够 改变 管 道 上方 的 海水 流动 方 向 ，明显 地 增 加 管道 下 方 的 水
在杭州湾海底管道铺设后 ，经过潜水检验 ，已 经成功 自 ，管上覆土层有 ｌ ｎ 埋 【 ，显示 了如下 良 ｉ３ Ｊ
好 的效 果 。