深海管道铺设及在位稳定性分析

发布时间：2021-01-10 09:41

　　我国深水油气开采的作业关键技术和国际发达国家相比有一定差距,在富含油气资源的南海深水区至今尚无独立开采能力。海底管道作为深海油气资源运输的最佳方式,其深海铺设安全、服役稳定性和海洋灾害下的安全性控制是其关键技术瓶颈。深海油气管道的铺设,服役稳定性,和海洋灾害下的安全性是涉及到管道施工,服役,和极端荷载下安全的三个重要部分,本文的研究和讨论正是围绕这三个环节而展开的。论文从数值、解析和实验的角度,对深海管道铺设提出了完整的分析方法,从数值和实验角度对刚悬链立管服役状态进行了深入研究,并提出了立管动力分析的新方法,对滑坡灾害作用下的稳定性提出了完善的解析分析模型,据此系统地建立了一套深海管道铺设性能,工作稳定性和灾害安全性的分析体系。首先,本文针对最常用的两种深海铺管方法s型和J型铺管法,分别建立了一套可以考虑水流和海床刚度的影响的数值计算模型。然后,针对J型铺管法,建立了塑性海床上的静力计算模型,从理论角度揭示管道的受力特性。接着,为深入研究铺管过程中和管道长期服役状态下的管土相互作用机理,尤其是循环荷载作用下土体的强度变化,进行了一系列大比尺室内实验和离心机实验,揭示了管土相互作用规律... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：228 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
主要符号及说明
第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究现状
        1.2.1 管道与土体相互作用
        1.2.2 管道的应变特性
        1.2.3 管道的铺设形态
        1.2.4 滑坡和泥石流作对管道的影响
    1.3 本文的主要内容
    1.4 创新点
第2章 海底管道铺设过程中基本荷载分析
    2.1 管道的基本形态
        2.1.1 S型铺管中的管道形态
        2.1.2 J型铺管中的管道形态
        2.1.3 铺设后的管道
    2.2 管道受到的外荷载
        2.2.1 重力和浮力
        2.2.2 水动力荷载
        2.2.3 铺设过程中的土体抗力
        2.2.4 海底滑坡和泥石流作用力
第3章 S型管道铺设的数值计算模型
    3.1 引言
    3.2 荷载和控制方程
        3.2.1 管段Ⅰ：曲率由托管架控制
        3.2.2 管段Ⅱ：曲率受弯矩影响
        3.2.3 管段Ⅲ：悬链线
        3.2.4 管段Ⅳ：与海床接触的管道
    3.3 数值计算
        3.3.1 迭代过程
        3.3.2 比较和讨论
    3.4 参数分析
        3.4.1 基本参数
        3.4.2 升离点LOP位置的影响
        3.4.3 水流的影响
        3.4.4 海床刚度的影响
    3.5 小结
第4章 J型管道铺设的数值计算分析
    4.1 引言
    4.2 控制方程
        4.2.1 水中段管道
        4.2.2 海床铺设段
    4.3 数值求解
        4.3.1 迭代过程
        4.3.2 计算过程
        4.3.3 算例及比较
    4.4 参数分析
        4.4.1 水深的影响
        4.4.2 海流的影响
        4.4.3 顶角的影响
        4.4.4 海床刚度的影响
    4.5 小结
第5章 塑性海床上J型铺管的解析解研究
    5.1 引言
    5.2 控制方程
        5.2.1 悬链段
        5.2.2 边界层段
        5.2.3 触地段
        5.2.4 回弹段
    5.3 刚塑性海床算法
        5.3.1 连续条件
        5.3.2 方程简化
        5.3.3 方程求解
    5.4 弹塑性海床算法
        5.4.1 连续条件
        5.4.2 方程简化及求解
    5.5 模型应用
        5.5.1 基本参数计算
        5.5.2 海床刚度对管道整体的影响
        5.5.3 海床刚度对触地段的影响
        5.5.4 回弹刚度的影响
    5.6 小结
第6章 管土动力循环相互作用离心机实验研究
    6.1 引言
    6.2 离心机模型实验介绍
    6.3 TDZ初步动力计算分析
    6.4 实验方案设计
    6.5 实验装置介绍
    6.6 土体制备
    6.7 实验结果分析
        6.7.1 浮力修正
        6.7.2 A组位移控制实验
        6.7.3 B组位移控制运动实验
        6.7.4 C组位移与荷载组合控制实验
        6.7.5 土体含水量变化
    6.8 小结
        6.8.1 铺管过程
        6.8.2 在位状态
第7章 管道触地段大比尺动力模型实验
    7.1 前言
    7.2 实验装置介绍
        7.2.1 模型槽
        7.2.2 制动装置
        7.2.3 模型管道
        7.2.4 实验土样
    7.3 实验步骤
    7.4 静力铺设过程
        7.4.1 管道埋深变化
        7.4.2 孔压分布变化
        7.4.3 管土相互作用模型验证
    7.5 动力铺管实验
        7.5.1 管道埋深变化
        7.5.2 孔压分布变化
    7.6 钢悬链线立管动力实验
        7.6.1 管道埋深变化
        7.6.2 孔压分布变化
    7.7 土体强度变化
    7.8 小结
第8章 管土动力循环作用向量式有限元分析
    8.1 计算方法介绍
        8.1.1 结构离散
        8.1.2 途径离散和运动
        8.1.3 杆件单元变形和内力计算
        8.1.4 外力计算
        8.1.5 显式时间积分计算位移
    8.2 外荷载计算
    8.3 动力铺设过程分析
        8.3.1 管道初始形态计算
        8.3.2 位移响应
        8.3.3 内力响应
    8.4 钢悬链立管动力管土相互作用分析
        8.4.1 位移响应
        8.4.2 内力响应
    8.5 总结
第9章 海底滑坡下的管道稳定性分析——轻管
    9.1 引言
    9.2 受力分析
    9.3 控制方程
        9.3.1 管段一
        9.3.2 管段二
        9.3.3 管段三
        9.3.4 管段四
    9.4 求解过程
    9.5 模型验证
    9.6 参数分析
        9.6.1 滑坡作用力的影响
        9.6.2 滑坡宽度的影响
        9.6.3 侧向土体抗力的影响
        9.6.4 轴向土体抗力的影响
        9.6.5 初始应力的影响
    9.7 小结
第10章 海底滑坡下的管道稳定性分析——重管
    10.1 引言
    10.2 受力分析
    10.3 控制方程
        10.3.1 管段一
        10.3.2 管段二
        10.3.3 管段三
        10.3.4 管段四
    10.4 求解过程
    10.5 模型验证
    10.6 参数分析
        10.6.1 滑坡作用力的影响
        10.6.2 滑坡宽度的影响
        10.6.3 侧向土体抗力的影响
        10.6.4 轴向土体抗力的影响
        10.6.5 初始应力的影响
    10.7 小结
第11章 结论与建议
    11.1 本文主要结论
    11.2 下一步研究工作的建议
参考文献
附录 作者简历及在学期间所取得的科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]深水资源：中国能源可持续发展的重要领域——访中国海洋石油总公司副总工程师曾恒一院士[J]. 马珉,吕学谦.  高科技与产业化. 2008(12)
[2]An Overview of Deepwater Pipeline Laying Technology[J]. 李志刚,王琮,何宁,赵冬岩.  China Ocean Engineering. 2008(03)
[3]多作业状态下近海油气管线的力学分析及软件[J]. 曾晓辉,邢静忠,柳春图,吴应湘.  中国造船. 2002(04)
[4]海底管道铺设的力学分析[J]. 曾晓辉,柳春图,邢静忠.  力学与实践. 2002(02)
[5]海洋管道铺设时的二维静力分析[J]. 宋甲宗,戴英杰.  大连理工大学学报. 1999(01)
[6]铺设过程中海底管道的非线性分析[J]. 甄国强,胡宗武.  海洋工程. 1993(03)
[7]ANALYSIS OF PIPELINE BEHAVIOURS DURING LAYING OPERATION[J]. Gu Yongning Associate Professor, Shanghai Jiaotong University, Shanghai.  China Ocean Engineering. 1989(04)
[8]海底管道铺设过程的静动力分析[J]. 王海期,马崙.  海洋工程. 1986(03)

硕士论文
[1]深海油气管道铺设的非线性屈曲理论分析与数值模拟[D]. 袁林.浙江大学 2009
[2]深水S型托管架设计中的力学问题研究[D]. 吕伟.大连理工大学 2009
[3]深水海底管道铺设受力性能分析[D]. 梁振庭.浙江大学 2008
[4]深水海底管道S型铺管形态及施工工艺研究[D]. 周俊.浙江大学 2008



本文编号：2968492