深水卷管铺设过程中管道的关键力学问题研究

摘要

随着浅海油气资源的日益枯竭，海洋油气开采逐渐由浅海向深海前进。而海底油气的运输主要依靠海底管道，因此，如何将陆地上的管道安全铺设到海底是一个具有挑战性的工作。当前，卷管式铺管法作为深海管道铺设的主要方法之一，由于铺设效率高、铺设费用低，所以在世界范围内得到广泛应用。但是，在卷管铺设过程中，管道发生数次的弯曲变形，同时使管道发生大塑性变形，卸载后管道留有很大的残余椭圆度和残余应力，进而严重降低管道的屈曲压力和疲劳寿命。因此，研究卷管铺设中管道的塑性变形过程，及其对管道的临界屈曲压力和疲劳寿命的削减程度是非常重要的。
　　首先，利用有限元软件ABAQUS建立更加符合实际工况的卷管铺设的有限元模型，并对管道进行了卷管铺设过程的动态仿真分析，研究了管道在卷管铺设过程中管道的轴向应力应变历史、应力-应变关系以及管道的弯曲曲率、截面椭圆度历史，并且验证了模型的准确性。
　　其次，通过对多种不同工况进行数值模拟，然后进行参数敏感性分析，研究了不同的管道外径、径厚比、钢材级别对管道椭圆度损伤的影响。
　　然后，把卷管铺设后带有椭圆度损伤的管道作为初始模型，在外压载荷下进行非线性屈曲分析，计算出带残余椭圆率管道的临界屈曲压力，并且和完好管道的塑性屈曲理论值进行对比。
　　最后，把卷管铺设后带有残余应力的一段管道作为海底悬跨管道，计算其发生涡激振动时管道的应力时程，得到管道的应力幅值和平均应力，然后基于线性累积损伤理论和修正的S-N曲线计算悬跨管道的疲劳寿命，研究了残余应力对管道疲劳寿命的削减程度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 管道的铺设损伤及外压屈曲研究现状

1．2．2 悬跨海底管道的疲劳寿命研究现状

1．3 本文主要工作

2 卷管铺设过程的动态仿真分析

2．1 卷管法铺设原理

2．2 卷管铺设的动态数值模拟

2．2．1 有限元模型

2．2．2 管道的材料属性

2．2．3 载荷步及边界条件

2．3 结果分析和讨论

2．3．1 轴向应力应变历史

2．3．2 管道的弯曲曲率历史

2．3．3 管道的截面椭圆率历史

2．4 本章小结

3 卷管铺设过程中管道椭圆度损伤的参数研究

3．1 管道外径的影响

3．2 管道径厚比的影响

3．3 管道钢级的影响

3．4 本章小结

4 卷管铺设过程对管道外压屈曲承载力的影响

4．1 海底管道外压屈曲的理论解

4．1．1 弹性临界屈曲压力

4．1．2 塑性临界屈曲压力

4．2 含椭圆度损伤管道的外压屈曲分析

4．3 本章小结

5 卷管铺设过程对管道疲劳寿命的影响

5．1 悬跨管道的涡激振动理论

5．2 疲劳寿命分析理论

5．2．1 S-N曲线法

5．2．2 线性累积损伤理论

5．3 含残余应力管道的疲劳寿命评估

5．3．1 疲劳分析的具体步骤

5．3．2 计算结果与分析

5．4 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