深海夹层保温管的屈曲传播

发布时间：2017-09-12 05:01

  本文关键词：深海夹层保温管的屈曲传播

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【摘要】：海底蕴藏着巨大的油气资源,开采进程正逐渐由浅海迈向深海。相比于浅海,深海有着更加复杂的海洋环境,水温低、压力大。石油从海底挖掘出来时温度高,使用隔热不好的单壁管输送时会导致石油凝固而造成管道堵塞。更大的压力环境也对管道的结构提出更高的要求。夹层保温管能够适应这样复杂多变的深海环境。这种管道由内管、夹心、外管组成,内、外管的材质均为合金钢材料,以承受载荷,而夹心的材质为聚氨酯泡沫,以隔热。在众多失效形式中,最为值得研究的就是保温管的屈曲与屈曲传播。目前对海洋保温管道屈曲传播的研究主要针对单壁管,对保温管的研究还不多见报道。本文将保温管视为夹心圆柱壳,运用弹性力学、塑性力学、夹层壳理论、非线性稳定性理论、屈曲传播实验以及有限元法等对深海保温管屈曲传播问题进入深入研究,主要研究内容:建立保温夹层管的非线性控制方程。保温管屈曲传播将由三个区域构成:塌陷区、传播区与未变形区。处在亚平衡状态的传播区沿着管道两边传开来播。运用一阶剪切变形理论,引入面板中面转角,考虑中面的薄膜影响,建立保温夹层管内的非线性几何方程,分析夹层管内的受力状态,建立平衡方程和协调方程。推导屈曲传播压力计算公式,获得解析解。依据前期获得的保温管局部屈曲的位移场,分析夹层圆柱壳内外面板的变形机制,应用塑性全量理论,考虑塑性硬化的影响,采用弹塑性稳定理论建立传播区内的能量方程,并根据能量守恒定理,获得保温管屈曲传播压力的解析表达式,进行参数分析,深入研究不同径厚比、不同夹层与夹心厚度比对及不同材料参数对应变强化系数、屈服系数和屈曲传播压力值的影响。开展实验分析。设计制造高压容器等仪器进行管道的屈曲传播实验。设置两组管道径厚比分别为17、32,获得这两组管道的屈曲传播压力实验值。使用810 Material Test System(MTS)对管道试件进行拉伸实验,得到管道材料的杨氏模量、屈服应力。运用Ramberg-Osgood非线性模型模拟保温管压溃后内、外层的弹塑性本构关系。进行有限元仿真。使用ABAQUS有限元软件建立保温管的有限元模型。设置多组的几何参数:初始缺陷、径厚比、夹心与面板厚度比;物理参数:杨氏模量、剪切模量、屈服应力,使用ABAQUS软件获取保温管在不同参数下的屈曲传播压力。进行参数化分析以研究屈曲传播压力与这些参数的内在联系。最后,在几何参数与物理参数相同的条件下求取理论分析得的屈曲传播压力值,对比发现,两者总体上相差10%。
【关键词】：夹层保温管 屈曲传播压力 传播实验 有限元
【学位授予单位】：暨南大学
【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
• 第一章 保温管绪论8-20
• 1.1 研究背景8-13
• 1.1.1 海底含有丰富的油气资源8-10
• 1.1.2 海底石油开采重要途径管道输油10-11
• 1.1.3 海底输油管事故造成损失和原因11-13
• 1.2 研究现状13-18
• 1.2.1 单层管屈曲及屈曲传播13-17
• 1.2.2 保温管屈曲研究17-18
• 1.3 研究主要内容及创新点18-20
• 1.3.1 研究主要内容18-19
• 1.3.2 创新点19-20
• 第二章 保温夹层管的非线性控制方程20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 保温管的非线性基本方程20-29
• 2.2.1 位移场21-23
• 2.2.2 应变场与应力场23-25
• 2.2.3 弯矩分布25-27
• 2.2.4 横向剪力27-29
• 2.3 保温管的非线性控制方程29-32
• 第三章 夹层保温管屈曲传播发生机理32-47
• 3.1 引言32
• 3.2 屈曲传播区的位移场32-33
• 3.3 屈曲传播区的弯曲变形33-40
• 3.3.1 屈曲传播区的应力应变关系33
• 3.3.2 屈曲传播区弯曲应变33-38
• 3.3.3 屈曲传播区弯曲应变能38-40
• 3.4 屈曲传播区薄膜应变能40-42
• 3.5 屈曲传播区外力功42-43
• 3.6 屈曲传播压力43
• 3.7 回归单层管43-44
• 3.8 参数分析44-47
• 第四章 保温管屈曲传播实验47-60
• 4.1 引言47
• 4.2 屈曲传播实验47-54
• 4.2.1 屈曲传播实验设计47-51
• 4.2.2 屈曲传播实验过程51-52
• 4.2.3 屈曲传播实验数据52-54
• 4.3 拉伸实验54-60
• 4.3.1 拉伸实验设计54-55
• 4.3.2 拉伸实验过程55-56
• 4.3.3 拉伸实验数据56-57
• 4.3.4 Ramberg-Osgood数据模型拟合57-60
• 第五章 保温管屈曲及屈曲传播有限元分析60-69
• 5.1 引言60
• 5.2 有限元建模60-62
• 5.3 算例分析62-65
• 5.3.1 保温输油管道的屈曲传播过程63
• 5.3.2 初始缺陷的影响63-64
• 5.3.3 管道径厚比的影响64
• 5.3.4 面板与夹心厚度比值k的影响64-65
• 5.3.5 材质的影响65
• 5.4 单层管有限元与理论解和试验值的比较65-66
• 5.5 保温管的有限元与解析解比较66-67
• 5.6 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-70
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-70
• 公式附录A70-74
• 参考文献74-77
• 致谢77

【参考文献】

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1 龚顺风;胡R，

本文编号：835211