海底管线水平向整体屈曲低阶模态研究

摘要

随着世界海洋石油工业的迅猛发展，海底管线在海洋石油、天然气开采中得到了广泛的应用。为了降低运输难度，原油需要在高温、高压条件下输送，但这样会导致海底管线发生温度应力下的整体屈曲，因此揭示海底管线发生整体屈曲的机理，建立温度荷载作用下管线整体屈曲的分析方法具有重要的理论意义和实用价值。本文采用解析法与数值模拟法相结合的手段，对海底管线水平向整体屈曲产生机理和模拟分析方法进行了系统研究。研究内容如下：
　　 对理想状态下海底管线水平向整体屈曲进行了分类，针对不同屈曲模式的管线建立了数学和力学分析模型；应用理论力学、材料力学、结构力学、高等数学等理论知识对管线屈曲的低阶模态进行求解，并推导相应的解析解，进而分析海底管线和土体之间的摩擦系数、输油温度、屈曲内力和屈曲幅值之间的关系；提出了采用改进的Riks算法并构建温度场和温度流模型、合理设置海底管线和地基土体之间接触关系，实现了对温度应力下海底管线水平向整体后屈曲的数值模拟；应用ABAQUS有限元软件，对具有不同初始缺陷的管线进行了模拟分析，研究海底管线在温度流和温度场这两种热荷载作用下，水平向整体屈曲的发生及发展规律，将分析结果与解析解进行了对比。
　　 研究表明，海底管线与土体之间的摩擦系数对理想管线的水平向整体屈曲有很大影响，当仅考虑低阶屈曲模式时，海底管线更易发生第二种模式的水平向整体屈曲；当初始缺陷较小时，管线拱起幅值与温度的关系曲线出现不稳定现象，而当初始缺陷较大时管线的屈曲呈渐变型；随着管线初始缺陷幅值的增加，管线发生水平向整体屈曲的临界温差降低；考虑管线输油温度沿程损失时，得到的海底管线水平向整体屈曲临界温差和屈曲应力都较小。