海洋非粘结柔性管抗压溃设计与实验验证研究

摘要

非粘结柔性管是海洋油气资源开发的重要装备之一，它是由金属材料结构层和聚合物材料功能层通过非粘结形式复合而成，允许层间发生相对滑动。由于管道服役海洋环境的恶劣性和管道结构本身复杂性的双重影响，该类管道具有十分复杂的失效模式。其中，压溃失效是指管道所承受的静水外压载荷超过管道所设计的屈曲载荷值而发生局部的屈曲，导致管道报废，从而造成巨大的经济损失。
　　针对管道所使用的海洋环境的具体要求，需考虑开发水深、安装载荷及管道通过张紧器的工况，需对非粘结柔性管进行抗压溃设计，提高管道抵抗径向变形的能力，其关键在于要使得所设计的管道具有足够的径向刚度，而非粘结柔性管的径向刚度主要由最内层的骨架层来提供。本文以基于失效模式分析的结构设计理念为基础，从结构稳定性的基本概念原理出发，给出了控制失效模式的结构稳定性设计的一般流程。参考海洋钢管抗压溃设计的理论解析模型，经过合理的等效方式应用到非粘结柔性管的抗压溃设计中。但理论分析基于各向同性、小变形和平截面等假设，仅考虑比较规则的结构形式，而数值模拟对非连续体的精确计算又十分困难，必须借助实验验证的手段进行研究。
　　通过骨架层的对压实验来研究骨架层结构的径向刚度，并与理论解析模型和数值计算模型进行综合比较，揭示其抵抗径向变形能力的实质。为了研究非粘接柔性管的综合的抗压溃性能，对压溃模拟实验装置进行了初步设计，并对管道的复杂受力形式进行了系统的分析，为继续深入开展非粘结柔性管压溃失效的研究提供有益指导。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 非粘结柔性管介绍

1．2．1 非粘结柔性管结构及材料选择准则

1．2．2 非粘结柔性管的结构特点

1．2．3 非粘结柔性管的失效模式

1．3 非粘结柔性管压溃失效研究现状

1．4 本文主要工作

2 控制失效模式的结构稳定性设计

2．1 结构稳定性的基本概念

2．1．1 概述

2．1．2 欧拉屈曲

2．1．3 屈曲判别准则

2．2 失效模式分析与结构稳定性设计

2．2．1 失效模式分析

2．2．2 结构稳定性设计简介

2．2．3 控制失效模式的结构稳定性设计流程

2．3 非粘结柔性管的结构稳定性设计

2．3．1 涉及的稳定性失效问题

2．3．2 非粘结柔性管的抗压溃设计

2．4 本章小结

3 管道抗压溃设计的基本理论模型

3．1 圆环的屈曲

3．1．1 基本方程

3．1．2 静水外压作用下圆环的屈曲

3．2 圆柱薄壳的屈曲

3．2．1 基本方程

3．2．2 均匀横向外压作用下圆柱薄壳的屈曲

3．3 非粘结柔性管骨架层等效的理论模型

3．3．1 概述

3．3．2 可行的等效方法

3．4 本章小结

4 非粘结柔性管骨架层对压实验

4．1 对压实验的理论基础

4．2 骨架层对压实验

4．2．1 实验目的

4．2．2 试件和实验系统

4．2．3 实验步骤

4．2．4 实验结果

4．3 对压实验的数值模拟

4．3．1 有限元模型的建立

4．3．2 约束与加载

4．3．3 数值模拟结果

4．4 结果的综合比较与分析

4．4．1 结果比较

4．4．2 骨架层抵抗径向变形的实质

4．5 本章小结

5 实验装置初步设计与管道综合受力分析

5．1 压溃模拟实验装置初步设计

5．1．1 设计参数

5．1．2 初步设计结果

5．2 管道受力分析

5．2．1 受力分析

5．2．2 缺陷影响

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