温压耦合作用下海底管道轴向定向移动特性研究

发布时间：2020-06-12 19:02

【摘要】：深水海洋资源的开发是我国未来油气资源的主要增长点。海底管道被喻为“海洋油气生命线”,是海洋油气集输与储运系统的重要组成部分。本文针对常土抗力系数和分段线性土抗力模型下,管道的轴向定向移动规律进行了研究,运用解析分析、数值模拟等方法得到多因素耦合作用下管道轴向定向位移量的确定方法,而后采用模型试验得到分段线性管-土轴向相互作用模型,运用ABAQUS有限元软件模拟了分段线性管-土轴向相互作用模型参数、管道内压以及锚固位置对管道的轴向定向移动规律影响,主要内容及结论如下:1.结合解析分析和数值分析的方法,阐述了当管道受到来自悬链线立管(SCR)张力、海床倾角以及内部瞬态热梯度作用时产生轴向定向移动的机理;建立了单因素与多因素诱发管道轴向定向移动的数值模拟方法;修正了单因素诱发管道轴向定向位移量的计算公式,提出了多因素耦合作用下确定管道轴向定向位移量的方法。2.总结了现阶段已有的管-土轴向相互作用模型,开展了室内小比尺模型试验,将管重、管径等变量归一化后提出了适用于渤海海砂的轴向分段线性土抗力模型。试验结果表明:轴向运动循环次数及运动速率对启动距离和峰值抗力无明显影响。轴向土抗力达到峰值时对应的启动距离与管道外径有关,外径越大,启动距离越大,启动距离约为0.01D~0.04D。轴向土抗力峰值可通过轴向土抗力系数?计算得到,对于砂土中不埋管道的轴向运动,?的取值在0.51~0.62之间。3.采用有限元软件ABAQUS模拟了分段线性土抗力下管道轴向定向移动现象,进一步研究了土抗力模型参数、管道内压及锚固位置等变量对管道轴向定向位移量和管道轴力的影响。有限元分析表明:启动距离越小、峰值抗力越小,则管道的轴向定向位移量越大;在升温前对管道预先施加内压会导致SCR张力作用下的管道轴向定向位移量逐渐增加,与之相反,瞬态热梯度作用下的管道轴向定向位移量逐渐减小;随着锚固位置由管道两端向中点移动,沿管长的最大轴力逐渐减小,锚固位置位于中点时,最大轴力最小。
【图文】：

曲线,短管,轴力,曲线

1.2.1 管道约束状态的研究管道的轴向移动规律与其轴向约束状态有着必然联系，根据不同的约束状态可将管道分为三类，即“短管”、“中管”和“长管”。（1）“短管”的约束状态当单位长度管道所受摩擦力*f f（即/1*f f ）时，管道在升温降温过程中除虚拟锚固点外，，其他位置均可自由移动，则称其为“短管”。其中， f μW，为管道和海床间的土抗力，W 为单位长度管道的重量。LPf *，*f为管道的等效摩擦力，即假设全约束有效轴力均匀分布在管道上时单位长度管道所受的轴力，L 为管道总长度。-()0P EA T T，为管道的全约束有效轴力，其中 E 为管道的弹性模量， A为管道的截面面积，为管道的热膨胀系数，T 为管道温度，0T为环境温度。“短管”中的有效轴力曲线如图 1-2 所示。

曲线,中管,轴力,曲线

图 1-3 “中管”轴力曲线由图 1-3 可知，管道在升温过程中可以克服海床的约束力自由移动（除虚拟锚固点 A），但在降温过程中海床所能提供的轴向约束力使得管道中部的 CBD 段不能发生轴向移动，于是称其为“中管”。（3）“长管”的约束状态当管道的长度足以被海床提供的土抗力完全约束时，称其为“长管”，此时/2*f f ，管道在升温降温过程中轴力变化如图 1-4 所示。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973.92

【参考文献】