分布浮力式海底管道的体系可靠度分析与优化

发布时间：2020-07-07 08:14

【摘要】：不可控的异常侧向屈曲是导致海底管道破坏的一个主要因素。分布浮力法通过安装浮筒,主动激发可控制的侧向屈曲,释放过高的有效轴力,从而降低管道发生异常侧向屈曲的风险。分布浮力式海底管道运行中存在诸多不确定性因素,如管道的参数、管土间接触、管道初始缺陷等,因此,进行分布浮力式海底管道的可靠度分析尤为重要。本文基于分布浮力式海底管道侧向屈曲的理论模型,建立了浮筒串联体系可靠度分析模型,开展了可靠度分析,并对分布浮力式海底管道的布置方案进行了优化设计。首先,结合不确定性因素,以分布浮力式海底管道侧向屈曲理论为基础,定义了单个浮筒处的失效模式。考虑管道结构发生强度破坏和屈曲失效,引入管道不直度(Out-of-straightness,OOS)和载荷控制准则(Load Controlled Criteria,LCC),定义了三个失效模式:OOS处发生异常屈曲、浮筒处未发生预定屈曲、不满足LCC。当三个失效模式都不发生时,才表示单个浮筒位置处未发生失效。与前人研究结果相比,本文定义的失效模式更合理。此外,本文在建立功能函数的过程中定义了轴力指标,并使用代理模型方法对功能函数进行了简化。然后,基于单个浮筒处的功能函数和多个浮筒布置方案,建立了浮筒串联体系的可靠度分析模型。可靠度模型使用蒙特卡洛法,充分考虑管道后屈曲力学行为和相邻屈曲的相互作用。通过在单次蒙特卡洛计算中依次对每个浮筒位置进行三个失效模式的判定,得到体系可靠度。分析了管道中屈曲前轴力的变化规律,结果表明屈曲前轴力总是呈现上下波动,且波动幅度逐渐减小。分析了OOS对体系可靠度的影响,研究发现OOS与后方浮筒距离越大,体系可靠度越大,当不考虑OOS时,体系可靠度与浮筒个数和管道长度无关。最后,基于浮筒串联体系可靠度模型,对分布浮力式海底管道的浮筒布置方案进行了优化设计。根据海底管道相关规范和管道后屈曲状态,定义了安全性能指标和控制性能指标。以浮筒参数为设计变量,优化了串联体系可靠度。综合考虑管道的安全性能和控制性能,进行了基于可靠度的多目标性能优化。考虑管道布置成本和控制性能,进行了基于可靠度的多目标成本优化。优化结果为管道设计提供了重要参考。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2

【参考文献】