深海夹层管复合结构非线性屈曲失稳机理研究

摘要

随着海洋油气资源的勘探开发迈向深水和超深水海域，对海底油气管道也提出了更高的要求。传统的单层海底管道由于浮重度较大，绝热性能较差，已不适合应用于于深水和超深水海域。夹层管复合结构是近年才发展起来的海底管束技术，在深海油气资源开发和输运中具有显著的优势。深水海底管道在安装和服役期间，需要承受巨大的外部静水压力和不同程度的弯曲作用，同时材料非线性和几何非线性的存在使得管道受力更为复杂。深海高压环境容易诱发管道发生局部屈曲，在静水压力作用下屈曲将沿管道轴向传播，导致整条管道发生失稳破坏，造成重大的经济损失和生态影响。因此，开展深海夹层管复合结构非线性屈曲失稳机理研究具有重大的工程意义。
　　本文采用具有较高结构强度和良好保温绝热性能的聚丙烯作为夹芯层材料，通过试验测得聚丙烯夹芯层与内外钢管之间的粘结特性，考虑不同的层间粘结性能，分别对夹层管在外压和弯曲作用下的屈曲失稳进行了精确的数值模拟分析，主要研究工作概述为以下几个方面:
　　(1)夹层管层间粘结性能试验研究。通过单轴拉伸试验和单轴压缩试验测得聚丙烯材料的应力应变关系曲线，设计不同的试验方案分别研究夹层管层间环向粘结性能和轴向粘结性能，探究了不同黏结剂和接触面粗糙程度对层间粘结性能的影响。
　　(2)外压作用下夹层管非线性屈曲失稳研究。将外压作用下夹层管的屈曲失稳简化为平面应变问题，运用有限元分析软件ABAQUS建立了相应的数值模型，采用节点间非线性弹簧模拟夹芯层与内外管之间的粘结性能，通过广泛的参数化分析，研究了层间粘结性能、钢管初始几何缺陷、截面几何构型以及材料特性等因素对夹层管屈曲失稳的影响。
　　(3)纯弯作用下夹层管非线性屈曲失稳研究。建立了夹层管在纯弯作用下的三维数值模型，通过一系列的参数敏感性分析，研究了管道长度、层间粘结性能、截面几何构型以及材料特性等因素对夹层管屈曲失稳的影响。
　　研究结果表明，无论是外压，还是弯曲作用下，夹层管的屈曲性能相比传统单层管都有较大幅度的提升;外压作用下，层间粘结性能对夹层管屈曲性能影响较大，而弯曲作用下，层间粘结性能对夹层管屈曲性能影响较小;夹层管截面几何构型以及内外管材料特性对夹层管屈曲性能影响较为显著。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

参考文献

第2章 夹层管层间粘结性能试验研究

2．1 引言

2．2 环向粘结滑移试验

2．3 轴向粘结滑移试验

2．4 聚丙烯材料性能试验

2．5 本章小结

参考文献

第3章 外压作用下夹层管非线性屈曲失稳机理研究

3．1 数值模拟

3．2 参数分析

3．3 本章小结

参考文献

第4章 纯弯作用下夹层管非线性屈曲失稳机理研究

4．1 数值模拟

4．2 参数分析

4．3 本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 本文创新点

5．3 展望

作者简历