天然气水合物开采区内海床不均匀沉降对管道力学性能的影响

发布时间：2024-05-19 19:34

　　海底管道是天然气水合物大规模开采和集输的关键装备。天然气水合物的开采过程会扰动沉积层的结构,改变沉积层的强度和力学特性,诱发海床发生不均匀沉降,并对水合物开采区内海底管道的力学特性产生影响,如引起管道发生大变形、悬跨、屈曲、断裂等。基于ABAQUS有限元软件,建立天然气水合物开采区内"海床-管道"耦合作用模型,模拟了天然气水合物开采过程中海床沉降变形及其对管道应力、应变、弯矩、悬跨等力学行为的影响。研究结果表明,在天然气水合物开采过程中,海床的不均匀沉降将引起管道发生显著位移并发生弯曲,管道的应力、应变随着变形的增大而增大。当海床沉降量达到某一程度时,管道将脱离海床,产生悬跨,并引发涡激振动风险。

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【部分图文】：

图1管道模型

基于ABAQUS有限元软件进行数值模拟，管道模型全长600m，管道半径0.31m，厚度0.02m，如图1所示。管道模型采用X65钢，主要材料参数如表1所示。ABAQUS中适用于接触问题的单元须为减缩积分单元[10]，因此管道采用减缩积分的4节点曲面壳单元(S4R)，该单元是....

图2海床模型

将海床的不均匀沉降作为海底管道力学分析的边界条件，基于有限单元法的实体单元模拟水合物储层被开挖后海床的沉降变形过程，构造出“等效的”不均匀海床表面变形形态，不需要对水合物开采过程中的热量传递、固气转变等过程进行分析。分析时，海床选择减缩积分的8节点六面体单元(C3D8R)，该单元....

图3海床的不均匀沉降模拟

“生死单元”功能是为了克服有限元本身缺陷提出的一种分析方法，被广泛应用于矿产开采、隧道钻进、基坑开挖等岩土工程领域，用来模拟被开挖部分“消失”的情况[11-12]。该单元弥补了有限单元法常规单元的不足。由于有限元本身是基于连续介质力学的，所研究的物体需要是连续的，在这样的理论框架....

图4海床位移云图

通过ABAQUS进行数值模拟，对水合物进行分步开采，得到开采过程中的每一步海床沉降量及形态分布结果，如图4、图5所示。提取第5、第7、第9和第10步开采的位移云图，开采影响范围分别为100m、140m、180m和200m，分别如图5所示。从图中可以明显的发现，随着开采范围....

本文编号：3978362