基于塑性基础弦模型的海底管道受撞击损伤机理研究

发布时间：2020-06-04 21:09

【摘要】：海底管道是海洋油气田生产过程中输送海洋油气的生命线。当海底管道作业时,存在着大量的由第三方活动造成的偶然载荷对海底管道撞击进而造成海底管道凹陷变形的现象。由于其运营环境的特殊性,海底管道一旦因为受撞击凹陷变形导致管道发生泄露或破损,将会对海上油气田的生产以及海洋环境的安全造成巨大影响。因此准确预测海底管道受撞击损伤机理,对于保障海底管道的安全性具有重大意义。针对海底管道受撞击损伤理论分析的研究,本文基于塑性基础弦模型,将海底管道凹陷变形分为了环向变形以及线向变形,通过虚位移原理得到了能量平衡方程,建立了海底管道在内外压差影响下的凹陷模型,求解得到了在管道两端旋转受约束以及管道两端可自由旋转两种边界条件下,考虑内外压差及轴向力作用的撞击力与凹陷深度的关系式,对海底管道遭受撞击后撞击力与凹陷深度的响应特性进行了预测。并将得到的结果与两种经验公式以及有限元模型计算结果进行验证。最后,对本文求解所得的关系式中的相关影响参数进行了分析,得到了内外压差以及径厚比对海底管道遭受撞击后撞击力与凹陷深度响应特性的影响,为海底管道的制造以及安全评估提供了较好的参考。
【图文】：

东省惠州市 121-1 油田天然气管道被拉断。根据相关数据分析，每 1000 千米的海底管道就有 0.2％的发生损伤的风险[13]。近年来，越来越多的海底管道和海底电缆损伤事故表明，必须加大对海底管道的安全防护方面的研究，为海底管道的安全运营提供支持。根据江锦等人的统计分析数据，47％的海底管道发生破坏损伤的事故是由腐蚀导致的，32％的海底管道发生破坏损伤的事故是因为拖网和落物等第三方活动撞击引起的，剩下的事故是由其他因素引起的[14]。虽然腐蚀是造成海底管道损伤的主要因素，但是大部分海洋污染事故以及海上油气田生产运营损失都是由锚泊撞击等第三方活动产生的偶然载荷造成的海底管道破坏损伤[15-16]。海底管道在生产运营的过程中，类似船舶抛锚撞击管道等大量的第三方活动，将造成海底管道产生凹陷破损，严重的话会造成管道失效。因此迫切需要对海底管道遭受撞击产生局部凹陷后的力学性能进行分析，从而制定一系列保护措施，尽量减少第三方撞击对海底管道所造成的破损伤害，提高海底管道的使用寿命。

图 2.1 常见管道凹陷分类Fig. 2.1 Common pipeline dent classification由上图可知，平滑管道凹陷和曲折管道凹陷是根据管道凹陷几何特性的差异进行分类的。凹陷变形区域内管道管壁光滑过渡，同时凹陷部位的应力、应变较小的情况为平滑管道凹陷。而在凹陷变形区域管道环向曲率发生显著改变，，且应变突增时，即为曲折管道凹陷。其中平滑管道凹陷包括单纯凹陷、焊缝凹陷以及含划伤（或其他缺陷）凹陷[42]。（1）单纯凹陷是指管道在遭受第三方撞击损伤发生凹陷时，管道的壁厚没有改变，同时没有新增其他类型的缺陷，目前对海底管道受撞击后凹陷形式的研究多聚焦于此凹陷类型。（2）在管道焊缝以及其附近区域所产生的平滑凹陷即为焊缝凹陷，该凹陷形式不仅受到凹陷变形的影响，还受到焊缝对管道力学性能的影响，其极限承载能力严重减小；（3）含划痕（或其他缺陷）的管道凹陷是由于管道外侧和撞击物体接触，使
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973.92

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本文编号：2696978