缺陷海管剩余极限强度研究

发布时间：2020-06-26 18:05

【摘要】：海底管道在海洋油气开发中扮演着重要的角色,其安全可靠性也一直广受关注,一旦发生管道破损事故,将造成巨大的经济损失和严重的生态破坏。环境因素和人为因素常常会使海底管道表面产生缺陷,缺陷的产生降低了管道的极限承载力,从而增加了管道失效的概率,是造成管道失效事故的主要原因之一。凹槽、凹陷、裂纹等是管道上常见的几种缺陷类型。海底管道在安装和营运过程中都承受较大的弯曲载荷,弯曲破坏是管道失效的主要形式之一,因此研究含有缺陷的管道在弯曲载荷下的极限强度对于管道安全性而言显得尤为重要。本文采用了试验与有限元分析相结合的方法,以外径为168mm、厚度为8mm的典型无缝钢管为研究对象,进行了有缺陷海底管道在弯曲载荷作用下的剩余极限强度研究,为建立系统的有缺陷海底管道安全评估准则提供依据,主要的研究工作可以概括为以下几个方面:1)设计了系列有缺陷海底管道剩余极限强度试验方案,涉及的缺陷类型包括凹槽、凹陷和裂纹,既有单一缺陷也有组合缺陷,缺陷处于压缩面和拉伸面均有考虑;2)进行了4个无缺陷钢管和26个有缺陷钢管在弯曲载荷作用下的崩溃试验,还在钢管上截取了多个材料试样进行了材料拉伸试验以明确其力学属性。从试验中得到了各钢管试件的极限弯矩、失效模式、弯矩-曲率关系曲线等;3)利用ABAQUS进行了系列有缺陷管道弯曲极限强度非线性有限元计算,将有限元计算的结果与试验结果进行对比,分析了二者之间差异的原因,明确了含不同类型或组合缺陷的钢管的极限弯矩、失效模式、弯矩-曲率关系曲线等;4)对于每一种缺陷,分别建立了多个含不同尺寸缺陷的管道模型并进行弯曲极限强度计算,采用有限元方法探究了不同缺陷的长度、宽度、深度对钢管极限强度的影响程度。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973.91;P756.2
【图文】：

钢管上凹陷的产生主要原因有海底地质活动、锚等重物的撞击以及渔船拖作用力[49]。凹陷是钢管壁上一种永久塑性变形，使钢管横剖面发生明显扭曲钢管的局部屈曲往往始于凹陷所在位置，在现有的研究中，将凹陷分为平滑陷和扭结型凹陷，管壁上产生平滑型凹陷后管壁的曲率变化平滑，而产生扭凹陷则使管壁曲率发生突变。目前对于平滑型凹陷的研究比较多，而扭结型的研究相对较少。对于管道上的一个凹陷，常常用深度、长度、宽度和椭圆来描述它，如图 2.1 所示，深度 d 表示凹陷区域内陷最深处的深度，通常将沿管道轴向的尺寸定义为长度 l，而沿环向的尺寸定义为宽度 w。椭圆参数表征凹陷严重程度的重要参数之一，其定义如式（2-1）:max min2D Dδ+=（2-1） Dmax表示发生凹陷后管道横剖面上测量得到的最大直径，Dmin表示发生凹管道横剖面上测量得到的最小直径，Dave表示完好管道的直径。在 DNV 的管道系统标准中，进行设计计算时必须考虑椭圆参数，取值至少为0.005[51]。

所以目前大部分的试验研究中预制凹陷时都没的产生主要原因为锚、渔船拖网、海损事故落物材料缺失的常见形式之一，金属材料缺失的另不同的是，凹槽形状轮廓较规则，尺寸也较大。的凹槽缺陷，金属管道表面的凹槽一般有规则的的横剖面形状，而凹陷则会严重改变管道的横剖对凹槽的剖面做了理想化处理，分为抛物线型、可以沿任意方向分布，常常用深度、长度、宽度槽的存在会在一定程度上降低管道的破裂强度和凹槽的深度对于管道强度的影响最为明显。目的剩余极限强度的研究还很少，由于管道类型众系来预估有凹槽管道的剩余极限强度。所以，本道剩余强度评估准则的一个很好的依据。

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本文编号：2730695