穿越河流悬跨油气管道力学特性及安全防控措施研究

发布时间：2017-03-23 08:00

  本文关键词：穿越河流悬跨油气管道力学特性及安全防控措施研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：油气管道运输常常需要穿越河流,河底输油气管道是石油工程生产系统的重要组成部分。然而,河底输流管道所处的地质条件复杂,同时受水流冲刷以及施工残余应力的影响,很容易造成悬跨段。由于水流冲刷作用,在管道悬跨段出现涡激振动现象,将改变管道的受力情况,从而加剧河底输流管道的运输风险。因此对穿越河流悬跨输流管道开展力学特性以及安全防控措施研究尤为重要。本文基于管土耦合理论以及有限元分析方法,对穿越河流输流管道的水平悬跨段进行力学特性研究。利用有限元软件ABAQUS/CAE建立单跨和多跨(等跨和不等跨)输流管道的有限元模型,综合考虑管土耦合相互作用和水力荷载对管道的影响。数值模拟研究管道悬跨长度、管道壁厚、管道内部操作压力、管土耦合作用(土体弹性模量、土体粘聚力、管土摩擦系数、土体摩擦角)、水流流速以及等跨跨间土体支撑长度对输流管道的力学特性影响。单跨输流管道力学特性研究表明：输流管道应力和位移与悬跨长度、管道内部操作压力、水流流速成正比例关系,与管道壁厚、土体条件(土体弹性模量和土体粘聚力)成反比例关系；管土摩擦系数和土体摩擦角的增大所引起管道的应力和位移变化较小,可以忽略不计；悬跨输油管道在水力荷载作用下管道跨中竖向位移和最大应力呈周期性变化,且河流流速越大,管道应力及竖向位移的幅值变化越明显。等跨输油管道力学特性研究表明：随着跨中土体支撑长度的增加,管土耦合作用增强,从而限制管道变形,相邻两悬跨管段相互作用削弱。不等跨输流管道力学特性研究表明：随着两跨管道的跨长越接近,两跨之间的相互作用越明显。土体弹性模量和土体粘聚力的增加,削弱了多跨输流管道两跨之间的相互作用。单跨与多跨管道力学对比分析可知：多跨输流管道应力和位移小于单跨输流管道应力；多跨管道的自振频率小于单跨管道的自振频率。临界悬跨长度的确定并提出安全防控措施：依据强度屈服理论可得管道到达屈服强度时的临界悬跨长度；依据输油管道发生共振可得振动破坏时临界悬跨长度。为避免管道发生失效破坏,确定两个长度最小值为输流管道的临界悬跨长度。同时得出管道在不同水流速度和不同壁厚所对应的临界悬跨长度,并提出治理管道悬跨现象提出了安全防控措施。
【关键词】：穿越河流 输流管道 悬跨长度 管土耦合 数值模拟
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE973
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 研究的目的与意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-14
• 1.3 研究内容与技术路线14-17
• 1.3.1 主要研究内容14-16
• 1.3.2 技术路线16-17
• 第2章 穿越河流悬跨输流管道力学模型17-32
• 2.1 穿越河流悬跨输流管道形成的机理17-18
• 2.2 穿越河流悬跨输流管道荷载分析18-22
• 2.3.1 静力荷载18-20
• 2.3.2 水力荷载20-22
• 2.3 管土相互作用22-24
• 2.4 悬跨段振动微分方程24-25
• 2.5 管土接触段变形方程25-26
• 2.6 悬跨管道三维数值模型建立26-32
• 第3章 穿越河流悬跨输流管道静力分析32-45
• 3.1 单跨输流管道不同悬跨长度的影响32-34
• 3.2 单跨输流管道管土耦合的静力分析34-38
• 3.2.1 不同土体弹性模量的影响34-35
• 3.2.2 不同土体粘聚力的影响35-37
• 3.2.3 不同管土摩擦系数的影响37-38
• 3.2.4 不同土体摩擦角的影响38
• 3.3 管道不同壁厚及内压的静力分析38-40
• 3.3.1 不同油管壁厚的影响38-39
• 3.3.2 不同操作内压的影响39-40
• 3.4 等跨不同跨中支撑长度的静力分析40-42
• 3.5 不等跨悬跨管道的静力分析42-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 悬跨管道动力分析及临界长度的确定45-70
• 4.1 单跨管道不同悬跨长度的影响45-50
• 4.2 单跨管道管土耦合作用动力学分析50-54
• 4.2.1 不同土体弹性模量的影响50-51
• 4.2.2 不同土体粘聚力的影响51-52
• 4.2.3 不同管土摩擦系数的影响52-53
• 4.2.4 不同土体摩擦角的影响53-54
• 4.3 管道不同壁厚及内压动力学分析54-56
• 4.3.1 不同管壁厚度的影响54-55
• 4.3.2 不同操作内压的影响55-56
• 4.4 单跨输流管道水力荷载动力学分析56-58
• 4.5 等跨不同跨中支撑长度动力学分析58-60
• 4.6 不等跨悬跨管道动力学分析60-64
• 4.6.1 两跨不同悬跨长度的影响60-62
• 4.6.2 不同土体弹性模量的影响62-63
• 4.6.3 不同土体粘聚力的影响63-64
• 4.7 输流管道临界长度的确定64-66
• 4.7.1 振动破坏临界长度64-65
• 4.7.2 屈服强度临界长度65-66
• 4.8 计算实例66-68
• 4.8.1 不同流速时管道临界悬跨长度67-68
• 4.8.2 不同壁厚时管道临界悬跨长度68
• 4.9 本章小结68-70
• 第5章 穿越河流悬跨输流管道治理方法70-74
• 5.1 悬跨段加支撑70-71
• 5.2 安置仿生水草71-74
• 第6章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果80

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