海洋非粘结柔性管压溃理论分析及数值模拟研究

摘要

非粘结柔性管是海洋油气勘探开采中的重要装备，是由金属材料层和聚合物材料层以不粘结的形式组合形成，允许管道层与层之间发生相对滑动。相对于其它形式的海洋管道，柔性管有更优的结构力学性能，更加适用于深海的油气开发。当今，海洋石油开发逐渐走向深海，海洋环境也越来越复杂，使得位于管道结构最内部的骨架层可能承受过大的静水外压，造成管体破裂，产生压溃失效。
　　在实际工程中，由于制造缺陷、张紧器作用等影响，管道的骨架层不可避免地存在初始椭圆度，难以达到完美圆状态，而骨架层主要由钢材制成，其材料的非线性可能对其抗压溃能力产生影响，同时骨架层相邻表面之间的相对滑动也会对柔性管结构的强度产生一定的影响。但在现有的理论研究方法中通常假定骨架层相邻表面间没有相对滑动，并且忽略了初始椭圆度和材料非线性对压溃失效特性的影响，使得研究结果应用到实际工程时有一定的偏差。
　　针对上述缺陷，本文首先介绍骨架层结构形式和特点，并对压溃失效机理、行业设计规范中关于压溃设计的要求以及非粘结柔性管压溃的理论计算模型进行了详细总结。在此基础上，基于有限元分析方法，分别采用三种接触方式对8寸内直径骨架层进行建模，对模型在完美圆状态、存在初始椭圆度几何缺陷状态和考虑材料弹塑性状态三种情况下的径向位移值和临界压溃值进行计算，并通过与理论计算结果的对比和讨论，研究非粘结柔性管的压溃行为，得到了相应的结论，对非粘结柔性管道压溃分析研究有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 柔性管道简介

1．2．1 柔性管道的分类

1．2．2 柔性管的结构优点及主要行业设计标准

1．2．3 非粘结柔性管的结构构成

1．3 非粘结柔性管国内外研究现状

1．3．1 非粘结柔性管应用技术研究现状

1．3．2 非粘结柔性管理论分析研究现状

1．3．3 非粘结柔性管有限元分析研究现状

1．4 非粘结柔性管压溃分析研究现状

1．5 本文研究内容及创新点

1．5．1 本文研究内容

1．5．2 本文创新点

2．非粘结柔性管骨架层抗压溃设计

2．1 功能需求

2．2 设计依据和设计准则

2．3 设计内容

2．4 分析校核

2．5 本章小结

3．非粘结柔性管压溃理论计算模型

3．1 圆环的屈曲模型

3．2 圆柱形薄壳的屈曲模型

3．3 非粘结柔性管骨架层等效理论模型

3．4 本章小结

4．对径压力下径向位移值理论分析与数值模拟

4．1 理论分析方法

4．2 数值分析方法

4．2．1 几何模型

4．2．2 单元选取与网格划分

4．2．3 接触与摩擦

4．2．4 约束与加载

4．3 数值方法与理论方法比较和分析

4．3．1 完美圆状态

4．3．2 存在初始椭圆度几何缺陷状态

4．3．3 材料非线性状态

4．4 本章小结

5．均匀外压荷载下临界压溃值理论分析与数值模拟

5．1 理论分析方法

5．2 数值分析方法

5．2．1 几何模型

5．2．2 单元选择与网格划分

5．2．3 约束与加载

5．3 数值方法与理论方法比较和分析

5．3．1 完美圆状态

5．3．2 存在初始椭圆度几何缺陷状态

5．3．3 材料非线性状态

5．4 本章小节

6．结论与展望

6．1 本文结论

6．2 本文不足之处

参考文献

致谢

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