含缺陷海底管道垂向和横向热屈曲问题研究

摘要

随着海洋科学技术的快速发展，各国海洋油气勘探开发区域由近岸浅海逐渐向更深的海域拓展和辐射。根据开采和输送工艺的要求，用于输送油气的海底管道需要承受高温高压的作用，高温油气热载荷和管内油气压力、管外海水静压力给管道带来了显著的附加轴力。其中过大的轴力易导致海底管道发生屈曲失效，甚至导致油气泄漏，给海洋生态环境造成污染，严重威胁海洋生物及人类的生存。为此，保障海底管道在设计寿命期间结构的整体稳定性成为海洋工程设计中的一个关键共性技术问题。因此，研究海底管道热屈曲失效行为对其铺设、安全运行和维护具有重要意义。 论文首先基于能量守恒推导了海底直管垂向屈曲的临界载荷，并基于Hobbs经典理论解对开发的理论模型进行了可靠性验证，另外分析了库伦摩擦系数和屈曲波形对管道横向热屈曲行为的影响。 其次，论文采用弹簧单元建立了分布浮力式海底管道热屈曲数值模型，对浮力块的作用长度和浮力系数进行了影响性分析。研究表明：增大浮力块的作用长度可以减小管道屈曲变形的应力水平，但这个方法仅在浮力块的作用长度小于几何缺陷长度时适用。 然后，基于能量守恒推导了软土海床含点支撑缺陷海底管道垂向屈曲的临界温升理论解，研究了海床土壤抗力系数和支撑高度对海底管道垂向屈曲行为的影响，并给出了铺设在软土海床上的海底管道屈曲设计方法，以及分析了海底管道垂向屈曲动态跳跃现象的原因。研究发现：铺设在软土海床上的海底管道比刚性海床管道更容易发生垂向热屈曲，但屈曲变形的弯矩会降低。因此，软土海床海底管道应主动诱导管道发生可控的垂向屈曲变形，而不宜采用阻止整体热屈曲发生的设计方式。 由于工程实际中的所有海底管道几乎都会因为安装误差或海浪冲刷造成局部初始几何缺陷。对此，论文最后研究了含五种不同初始对称缺陷海底管道横向屈曲的临界温升数值解，从而掌握几何不直度和初始缺陷类型对临界温升的影响规律。同时，通过引入一个无量纲参数，以区别不同初始缺陷类型。并基于量纲分析法提出了一个简单且统一的临界温升计算表达式。该表达式成功地预测了含非对称缺陷海底管道的临界温升，可以为今后含初始几何缺陷海底管道抗热屈曲设计提供借鉴。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 海底管道的热屈曲类型

1.3 海底管道热屈曲研究现状

1.3.1 理论研究

1.3.2 试验研究

1.3.3 数值研究

1.4 海底管道抗热屈曲措施

1.5 课题提出与研究内容

1.5.1 问题分析

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究路线

2 海底直管垂向和横向屈曲行为研究

2.1 海底管道轴向载荷

2.2 海底直管垂向和横向屈曲Hobbs解

2.2.1 海底直管垂向屈曲Hobbs解

2.2.2 海底直管横向屈曲Hobbs解

2.3 刚性海床直管垂向屈曲能量解法

2.4 结果分析与讨论

2.4.1 垂向屈曲问题分析与讨论

2.4.2 横向屈曲问题分析与讨论

2.5 本章小结

3 分布浮力式海底裸置管道热屈曲研究

3.1 管土作用模型

3.2 海底管道热屈曲数值分析过程

3.2.1 缺陷引入方式

3.2.2 管道模型长度

3.3 热屈曲试验与数值结果对比验证

3.4 分布浮力式海底管道横向屈曲特征

3.4.1 管长和材料非线性影响性分析

3.4.2 浮力块的影响性分析

3.5 本章小结

4 软土海床含点支撑缺陷海底管道垂向屈曲研究

4.1 点支撑缺陷波形

4.2 软土海床临界温升理论推导

4.3 结果验证与分析

4.3.1 理论解验证性分析

4.3.2 海床土壤抗力系数的影响

4.3.3 支撑高度的影响及跳跃现象成因

4.4 本章小结

5 含初始几何缺陷海底管道横向屈曲研究

5.1 初始对称几何缺陷波形

5.2 有限元建模

5.3 结果分析与讨论

5.3.1 数值模型验证性分析

5.3.2 含标准缺陷管道横向屈曲行为

5.3.3 缺陷类型对临界温升影响分析

5.4 临界温升公式拟合及应用

5.4.1 临界温升公式拟合

5.4.2 临界温升公式应用

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢