海底管线水平向整体屈曲低阶模态研究

发布时间：2020-07-13 12:32

【摘要】：随着世界海洋石油工业的迅猛发展,海底管线在海洋石油、天然气开采中得到了广泛的应用。为了降低运输难度,原油需要在高温、高压条件下输送,但这样会导致海底管线发生温度应力下的整体屈曲,因此揭示海底管线发生整体屈曲的机理,建立温度荷载作用下管线整体屈曲的分析方法具有重要的理论意义和实用价值。本文采用解析法与数值模拟法相结合的手段,对海底管线水平向整体屈曲产生机理和模拟分析方法进行了系统研究。研究内容如下: 对理想状态下海底管线水平向整体屈曲进行了分类,针对不同屈曲模式的管线建立了数学和力学分析模型;应用理论力学、材料力学、结构力学、高等数学等理论知识对管线屈曲的低阶模态进行求解,并推导相应的解析解,进而分析海底管线和土体之间的摩擦系数、输油温度、屈曲内力和屈曲幅值之间的关系;提出了采用改进的Riks算法并构建温度场和温度流模型、合理设置海底管线和地基土体之间接触关系,实现了对温度应力下海底管线水平向整体后屈曲的数值模拟;应用ABAQUS有限元软件,对具有不同初始缺陷的管线进行了模拟分析,研究海底管线在温度流和温度场这两种热荷载作用下,水平向整体屈曲的发生及发展规律,将分析结果与解析解进行了对比。研究表明,海底管线与土体之间的摩擦系数对理想管线的水平向整体屈曲有很大影响,当仅考虑低阶屈曲模式时,海底管线更易发生第二种模式的水平向整体屈曲;当初始缺陷较小时,管线拱起幅值与温度的关系曲线出现不稳定现象,而当初始缺陷较大时管线的屈曲呈渐变型;随着管线初始缺陷幅值的增加,管线发生水平向整体屈曲的临界温差降低;考虑管线输油温度沿程损失时,得到的海底管线水平向整体屈曲临界温差和屈曲应力都较小。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P756.2
【图文】：

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海底管线在原油、天然气的生产、精炼、储存及到使用的全过程中起到了关键性作用[1]。海底管线的失稳包括局部屈曲和整体屈曲，对于海底管线，从局部来看属于薄壁壳体结构，可能出现局部失稳，从整体来看属于梁杆类结构，可能出现整体失稳，即欧拉失稳。由于原油具有高密度、高粘度和高凝固点等特点，为了降低运输的难度和避免石蜡分馏引起的固化，原油在必须在高温高压下运输。管线在温度应力和材料泊松效应的共同作用下使得管线中产生附加应力，由于受到地基土的约束作用，管线无法自由变形，以释放内部应力，随着管线长度的增加附加应力在管线中不断的积累，当其超过地基土体对管线的约束力时，管线就会发生整体失稳引起突然变形而使内部应力得到释放，从而导致管线发生竖向和水平向的整体屈曲（见图 1-1）。由于管线内部承载着大量的油气，一旦发生屈曲甚至屈服破坏，就会导致油气泄漏，不仅造成资源的浪费并且去海洋生物及环境构成巨大的威胁[2]。因此研究海底管线在温度应力下的整体屈曲的特性具有非常重要的现实意义。

管中管,结构示意图

软件ANSYS对海床上蛇形铺管的水平向屈曲模型进行了计算形铺管形状相比，蛇形铺管更能有效的降低管线的临界屈曲管线分布的预设位置的屈曲，并且能很好的控制管线的后屈后续的研究工作中认为初始的几何缺陷的幅值及缺陷长度对屈曲响应有很大影响，临界温差随着初始几何缺陷幅值的增大屈曲的变形、弯矩、轴向应变影响不大。临界温差随着缺陷降低后增加的趋势；在缺陷幅值一定时，改变缺陷段长度对管弯矩及轴向应变影响不大。离长，输送原油粘度高的海底管线来说，良好的保温性是其能，有时外置保温层的单层管不能满足要求，因此产生了管束输是将一根或多根管线安装在同一个外管内，并且在内外管之材料，大大提高了管线的保温性和安全性，其中最为典型的结in-Pipe systems）（如图 1-3 所示）。由于结构的改变，带来了新发展。

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第一章绪论不相符。2002 年，Boreas Consultants，TWI和剑桥大学[19]共同开展了JIP (JointIndustProject) 项目，该项目的研究成果认为，管线发生屈曲主要由以下 3 个变量控制管线中的轴力、管线的缺陷度(0ut-0f-Straightness，OOS)与所受约束。JIP项目总结了管线屈曲的形成机理并且分析了控制屈曲形态的主要因素，利用管线内可控制的适度屈曲来释放轴力，避免管线发生整体屈曲。在分析技术方面，JIP项目认为非线性有限元技术是解决该问题的主要分析有段（见图 1-4、图 1-5），并且研制开发了基于ABAQUS平台的SAFEBUCK软件。

【参考文献】