海底跨断层输气管道断层作用下的数值模拟与分析

发布时间：2017-03-19 14:03

  本文关键词：海底跨断层输气管道断层作用下的数值模拟与分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：油气资源的深海开采和跨国运输需要海底管道跨越更广的范围完成其能源输送职能,管道会不可避免穿越断层活动区,断层荷载对管道安全的威胁越来越大。而目前国内外海底管道设计规范中对此类工况考虑不足,因此有必要开展跨断层海底管道在断层错动作用下的力学研究。本文以输气管道为例,采用ABAQUS软件进行数值模拟,分析了管道在断层错动作用下的力学响应规律并为海底管道跨断层设计提供了参考。主要研究内容包括以下方面:(1)在必要的模型简化和理论假设基础上,基于ABAQUS软件建立了可以考虑管道几何大变形和管土非线性耦合作用的跨断层海底输气管道的有限元模型。基于管道跨断层解析计算理论首次提出能够综合考虑小变形管段轴向和弯曲变形对大变形管段力学影响的等效边界并给出了具体的公式推导,完成了等效边界模型的准确性和优良性验证。(2)分析了跨断层海底管道在不同断层荷载作用下的主要破坏模式,并基于应变设计的准则建立起可以综合衡量各类破坏形式的管道安全性能评价体系。完成了海底输气管道分别穿越走滑断层、正断层和逆断层时管道的具体破坏历程分析与安全评价。(3)将影响管道在断层荷载作用下响应的参数分为管道自身参数、管-土耦合参数以及海床土特性等,分别探究了它们对管道在三类断层作用下力学响应的影响趋势,给出管道跨断层参数选择的定性判断依据。(4)采用均匀设计试验的方法,将参数分为管道相关参数和海床土参数进行数值模型试验,选取管道破坏的临界断层位移作为评价指标,基于多元回归理论建立了管道破坏位移与各类参数之间的表达式。进一步分析了各类参数对管道安全性能的影响权重和部分参数之间的交互作用。(5)探讨了GFRP材料在跨断层海底管道补强领域的应用,分析了GFRP加强层厚度、管道加强长度和加强位置等对管道力学性能的影响程度,并探究了加强层对管道不同穿越角度的适应能力。
【关键词】：海底管道 活动断层 数值模拟 参数设计 均匀设计试验 管道补强
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE973
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题来源及研究的背景和意义10-12
• 1.2 国内外研究现状及分析12-16
• 1.2.1 解析方法研究现状12-14
• 1.2.2 数值模拟研究现状14-15
• 1.2.3 模型试验研究现状15-16
• 1.2.4 文献综述分析16
• 1.3 本文研究内容和方法16-18
• 第2章 跨断层海底输气管道模型的建立和验证18-32
• 2.1 模型的简化与基本假设18-19
• 2.2 模型材料的力学性能19-22
• 2.2.1 管道的力学模型19-20
• 2.2.2 海床土的力学模型20
• 2.2.3 管道与海床土接触特性20-22
• 2.3 等效边界与等效边界模型22-26
• 2.3.1 等效边界的推导22-25
• 2.3.2 等效边界模型的建立25-26
• 2.4 等效边界模型的验证26-31
• 2.4.1 足尺模型的建立与验证27-28
• 2.4.2 三类边界模型的对比分析28-30
• 2.4.3 等效边界适用性验证30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 管道在三类断层荷载下的破坏与评价32-47
• 3.1 跨断层海底管道的破坏模式32-35
• 3.1.1 断层简介32-33
• 3.1.2 海底管道的破坏模式33-35
• 3.2 海底管道破坏的评价准则35-38
• 3.2.1 常用的两类评价准则及对比35-36
• 3.2.2 基于不同失效模式的管道应变设计准则36-38
• 3.3 不同断层机制下海底输气管道的破坏历程38-45
• 3.3.1 走滑断层机制下管道的响应39-42
• 3.3.2 正断层机制下管道的响应42-43
• 3.3.3 逆断层机制下管道的响应43-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第4章 海底输气管道参数设计和均匀试验分析47-73
• 4.1 管道自身参数设计47-54
• 4.1.1 管径的影响47-49
• 4.1.2 壁厚的影响49-51
• 4.1.3 管材的影响51-52
• 4.1.4 工作压强的影响52-54
• 4.2 管-土耦合参数设计54-58
• 4.2.1 管道穿越角度的影响54-56
• 4.2.2 管道埋深的影响56-58
• 4.3 海床土特性参数设计58-60
• 4.4 跨走滑断层管道的均匀设计试验60-71
• 4.4.1 均匀设计试验方法简介61-62
• 4.4.2 均匀设计评价指标的确立62-63
• 4.4.3 管道参数的均匀设计试验63-67
• 4.4.4 海床土特性的均匀设计试验67-71
• 4.4.5 管道均匀设计实验的工程应用和局限71
• 4.5 本章小结71-73
• 第5章 GFRP在跨断层海底管道补强领域的应用探讨73-81
• 5.1 FRP材料简介及工程应用73-74
• 5.2 GFRP对管道补强效果的分析与参数设计74-79
• 5.2.1 管道加强模型的建立74-75
• 5.2.2 GFRP加强层补强效果探讨75-76
• 5.2.3 GFRP加强层的参数设计76-79
• 5.3 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文88-90
• 致谢90

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