非粘结柔性管道径向承压能力设计与分析研究

摘要

伴随陆地能源的逐渐枯竭与能源需求的快速增长，海洋油气资源的开发已逐渐成为世界关注的焦点。非粘结柔性管道是海洋油气资源开发的关键输运设备，掌握其核心技术具有战略性的意义。非粘结柔性管道采用金属层和非金属层交错复合而成，层间可以互相滑动，其在储运、安装和在位等过程中会发生由于径向荷载造成的压溃、爆破等多种失效形式，随之带来巨大的经济损失。因此，需要对非粘结柔性管道的径向承压能力进行设计与分析。 本文首先对非粘结柔性管道的结构形式、失效模式及国内外学者对管道径向承压能力的研究现状进行了归纳和总结，将管道所受的径向荷载分为外压和内压两种形式。在外压方面，本文基于弯曲刚度截面等效与薄壁圆筒对压的理论方法给出了骨架层临界对压荷载的理论预测方法，并建立了三维精细有限元模型对其进行验证。结果表明理论预测方法由于未考虑对压过程中截面惯性矩变化等因素所得结果偏于危险，并发现骨架层在对压下逐渐演变为带有四个塑性铰机构的变形机理。随后，本文进一步建立了完整管道截面的精细有限元模型，讨论了管道各结构层对整体管道在对压荷载下承压能力的贡献情况。结果表明骨架层的承压贡献占比仅为40%，抗压铠装层和抗拉铠装层对管道抗径向挤压能力具有重要的作用。非粘结柔性管道安装过程中的抗挤压能力设计仅考虑骨架层过于保守。 在内压方面，本文总结了目前常用的非粘结柔性管道内压失效的理论预测方法，建立三维精细有限元模型对各理论方法的适用性进行讨论，发现所有理论方法所得结果均偏危险，其中“填充因子”截面等效与弹性力学相结合的理论方法给出的结果最为保守。随后，本文进一步讨论了加工间隙对结构抗压能力的影响，推导了带有间隙的抗压铠装层临界抗压能力的理论方法，并通过建立带有不同间隙的有限元模型对理论方法进行验证，结果吻合良好。结果表明层间的加工间隙会显著降低结构的抗压能力，这对非粘结柔性管道抗压结构的设计提供了有益的参考。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 非粘结柔性管道介绍

1.2.1 非粘结柔性管道应用分类

1.2.2 非粘结柔性管道结构形式

1.2.3 非粘结柔性管道的失效模式

1.3 非粘结柔性管道径向荷载失效分析研究现状

1.3.1 非粘结柔性管道行业规范

1.3.2 非粘结柔性管道径向荷载失效分析研究综述

1.4 本文主要工作

2 管道骨架层抗对压设计分析研究

2.1 理论基础

2.2 有限元模型

2.2.1 单元选取与网格划分

2.2.2 材料与接触设定

2.2.3 约束与荷载施加

2.3 骨架层压溃过程分析

2.4 结果分析及讨论

2.5 本章小结

3 管道截面抗对压设计分析研究

3.1 有限元模型

3.1.1 单元选取与网格划分

3.1.2 材料与接触设定

3.1.3 约束与荷载施加

3.2 不同结构层抗压溃能力分析

3.3 本章小结

4 管道抗内压设计分析研究

4.1 理论基础

4.1.1 截面等效的理论方法

4.1.2 考虑铠装螺旋特征的理论方法

4.2 有限元模型

4.2.1 单元选取与材料设定

4.2.2 边界条件与荷载施加

4.3 结果对比分析

4.4 本章小结

5 加工间隙对抗压铠装层结构性能的影响

5.1 理论基础

5.2 有限元模型

5.2 结果分析及讨论

5.3 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢