不同径厚比的海底管道压溃屈曲研究

为了探索不同径厚比海底管道的压溃屈曲特性,本文分别采用挪威船级社（Det Norske Veritas,DNV）规范、有限元模拟和深海压力舱模型试验,研究不同径厚比海底管道承载外部水压的能力,并就DNV规范压溃屈曲计算公式对不同径厚比管道的适用性进行了讨论,优化了小径厚比海底管道压溃屈曲的设计方法。研究表明：小径厚比管道的压溃屈曲临界压力对管道径厚比的变化更敏感;DNV规范计算小径厚比管道的压溃屈曲临界压力偏小,在进行深海管道的压溃屈曲设计时,建议采用模型试验结合有限元模拟的方法,计算管道实际可提供的压溃屈曲承载力。     

深海管道非线性屈曲理论计算方法

针对深海管道在侧向静水压条件下发生局部屈曲压溃的情况,研究了关于管道前屈曲阶段变形响应和压溃压力的计算方法。假定管道前屈曲阶段发生沿轴向均匀一致的椭圆度变形,建立基于圆环的力学模型,考虑几何大变形和材料的弹塑性本构关系,利用虚功原理建立平衡方程。通过选用合适的位移离散函数对方程组数值离散,并利用牛顿法进行数值求解,得到含椭圆度缺陷的管道截面的变形响应和压溃压力。通过试验、有限元分析和规范对理论计算结果进行了对比验证,证明该方法精度可靠,与事实吻合。最后,计算了初始椭圆度缺陷对不同径厚比管道的压溃压力的影响。     

基于ABAQUS的海底管道静水压溃压力的敏感性分析

局部屈曲压溃是海底管道发生稳定性破坏的一种形式,随着管道的刚度相对越来越柔,厚度相对越来越薄,管道发生屈曲压溃的问题也越来越突出。运用ABAQUS有限元分析软件进行管道的非线性屈曲分析,确定不同径厚比、初始椭圆度、轴向拉力和弯矩作用下的管道静水压溃压力,以分析静水压溃压力对这些因素的敏感性。     

含腐蚀缺陷高强钢厚壁管道压溃压力预测方法

腐蚀是管道常见的缺陷形式之一,会极大降低管道的压溃压力,同时深海环境下高静水外压易引发管道压溃失效,威胁管道的安全运行,因此准确预测管道压溃压力显得尤为重要。采用数值模拟方法研究了含腐蚀缺陷的高强钢厚壁管道压溃失效模式,分析了管材、管道径厚比、腐蚀深度、长度和宽度等参数对高强钢厚壁管道压溃压力的影响规律。分析结果表明:管道径厚比愈大,对厚壁管道的承压能力提升愈显著;腐蚀缺陷的存在对管道压溃压力具有减小作用;随着管道材料等级的提升,压溃压力有明显提高。提出了相应的压溃压力预测公式,为厚壁管道完整性评价提供了参考依据。     

椭圆度-凹坑双缺陷海底管道局部屈曲特性研究

海底管道在制造、埋设以及使用过程中极易产生椭圆度-凹坑双缺陷,双缺陷影响管道局部屈曲,对含椭圆度-凹坑双缺陷海底管道的局部屈曲特性研究十分必要。现行规范中采用等效椭圆度对含椭圆度-凹坑海底管道进行评估,该方法无法准确评估不同缺陷形式的屈曲特性。采用形状系数对含椭圆度-凹坑双缺陷的海底管道进行评估,运用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并进行试验验证。在此基础上对含有不同凹坑深度、不同椭圆度的海底管道进行局部屈曲的数值模拟,计算不同形状椭圆度、含有不同凹坑深度海底管道的形状系数,对其进行敏感性分析。计算结果表明:形状系数对海底管道椭圆度、凹坑深度、径厚比敏感性较强;对凹坑宽度敏感性较弱。     

考虑椭圆化和材料各向异性的管道极限弯矩承载力解析解研究

已有的管道极限弯矩承载力解析方法忽略了截面的椭圆化变形,且假设管道截面达到全塑性抵抗力,这对于薄壁管道是不合理的。针对这些不足,在已有解析解的基础上,考虑管道截面塑性区的椭圆化变形以及管道轴向与环向材料的各向异性,推导了管道在内压、轴向力和弯矩联合荷载作用下的极限弯矩承载力解析解。并通过定义材料屈服后不同的广义模量,提出了管道极限弯矩承载力的上限解析解和下限解析解。在此基础上,研究了材料各向异性系数、径厚比以及初始荷载等参数对极限弯矩承载力上限和下限解析解的影响,并得到了一些有益的结论。     

轴压作用下双金属复合管组合作用与承载力分析

为探究轴压作用下双金属复合海底管道的组合作用与承载性能,对双金属复合海底管道进行了试验研究和理论分析。开展了不锈钢衬管材料性能试验,对比了国际主流不锈钢本构关系模型和试验结果。利用ABAQUS建立了精细化的双金属复合管道轴压试验有限元模型,系统研究了关键参数如复合工艺产生的环向复合应力、钢管初始缺陷幅值等对双金属复合管在轴压作用下力学性能的影响规律。通过对比已有轴压双金属复合管道试验结果,验证有限元模型。基于验证的有限元模型,对轴压作用下双金属复合管道的组合作用以及径厚比和材料强度对承载力的影响进行了分析。结果表明双金属复合管道的轴压极限承载力主要取决于基管的截面屈服荷载,并随着管径和材料强度的提高而增大。并依据分析结果对双金属复合海底管道的设计提出建议。     

非对称局部壁厚减薄海底管道的屈曲分析

在深海环境中,海底管线不仅承受较高外压,还会因为海水及运输介质的常年侵蚀而形成腐蚀缺陷,而腐蚀缺陷往往会导致管道的外压承载力下降。基于壳体稳定性理论,建立了含有非对称局部壁厚减薄管道在外压作用下的屈曲压力理论公式。公式具有广泛的适用性,当内、外局部壁厚减薄深度相等时,可用于计算含有对称局部壁厚减薄管道屈曲压力,而当内部或外部缺陷深度为零时,便可用于计算只含外部或者内部腐蚀缺陷的管道屈曲压力。通过有限元分析验证了该公式的正确性,结果表明公式可以准确预测不同缺陷位置及尺寸时管道的屈曲压力。详细研究了局部壁厚减薄缺陷位置、长度和深度等参数对屈曲压力的影响。研究表明,局部腐蚀对管道的屈曲压力产生重要影响,尤其当腐蚀角度和深度较大时,在腐蚀形成初期就会造成管道的承载力急剧下降,并且管道的屈曲压力与缺陷的径向位置有关,腐蚀缺陷位于管道外侧时的屈曲压力明显大于其位于管道内侧时的屈曲压力。     

深水海底管道屈曲传播试验设计

针对深水海底管道屈曲传播的研究需要,文中结合国外的相关研究成果,以天津大学现有深海压力舱试验装置为基础,并以DNV规范和ANSYS有限元数值模拟计算结果为依据,设计了深水海底管道屈曲传播试验方案.该试验方案选取径厚比在25～30范围内的小直径管件进行试验,为管道屈曲传播理论研究提供指导,并可作为深水管道止屈器试验设计的...     

海底管道整体式止屈器性能研究与穿越压力预测

整体式止屈器可有效抑制海底管道屈曲传播并避免管道的大规模屈曲失效。为探究整体式止屈器的止屈特性,预测其穿越压力,利用ABAQUS软件建立有限元模型,分析了整体式止屈器厚度、长度、径厚比等参数对穿越压力和穿越形式的影响机制,揭示了整体式止屈器的止屈特性。研究结果表明:在平行穿越阶段,增加止屈器厚度、有效长度可明显提升穿越压力;而在垂直穿越阶段,穿越压力增长速率明显放缓。结合有限元模拟结果,拟合得到了整体式止屈器在不同穿越形式下的穿越压力预测公式,其相较于已有经验公式准确性更高,对整体式止屈器的设计和建造具有重要的指导意义。     

基于数值模拟的海底管道抛锚撞击机械损伤及其防护措施研究

采用三维非线性动态有限元方法对抛锚撞击海底管道进行模拟。建立霍尔锚模型,考虑管土相互作用,研究不同撞击能量下抛锚撞击管道的机械损伤(最大凹陷)变化规律。对不同防护措施的防护效果进行探讨,包括埋深、混凝土配重层、加大径厚比等措施。数值模拟结果与试验结果进行对比,两者结果吻合较好。结果表明:当锚与管道接触面积越小时,锚对管道的撞击凹陷越大;加大埋深对抛锚撞击管道有很好防护的作用;管道内压对抛锚撞击管道有一定的抵抗作用;混凝土配重层对防护抛锚撞击管道的防护作用不明显;增加管道壁厚是防护抛锚撞击管道的有效措施之一,也应考虑经济性。本文研究结果为实际工程中降低抛锚撞击管道机械损伤后果提供参考。     

基于ABAQUS的海底管道铺设期间椭圆化损伤分析

在海底管道铺设安装过程中,张紧器的夹紧力和张力的变化,可能会对管道造成椭圆化损伤。椭圆化损伤对管道今后的安全性具有较大的影响。结合理论分析和ABAQUS有限元分析软件,提出计算管道椭圆化损伤的方法。对于夹紧力,结合DNV规范计算得到不同管道所能承受的最大夹紧力。分析发现,管径越小,壁厚越大,管道抵抗椭圆化损伤的能力越大。对于张力,利用elbow单元建模,其优势在于能够模拟beam单元无法分析的截面变形,同时又能避免采用shell单元可能出现的计算成本过大的问题。分析发现,张力减小,管道的椭圆化损伤增大。     

柔性管道骨架层压溃失效机理和安全评价方法研究进展

非黏结柔性管道作为深水油气开发领域的关键设备,是连接海底井口和海洋平台的主要纽带。海洋油气开发水深已经超过了3 000 m,高静水压力是深水软管设计和安全评价的主要挑战,明确深水柔性管道压溃失效机理,并准确地预测柔性管道的压溃压力可以为柔性管道结构设计和安全评价提供依据,柔性管道的压溃压力与骨架层的几何形状以及骨架层之间复杂的相互作用有关,准确高效地预测压溃压力变得极具挑战性。针对柔性管道失效机理研究和压溃压力预测方法进行了总结,指出当前柔性管道压溃失效分析中薄弱的环节,为我国非黏结柔性管道的结构设计和安全评价提供参考。     

海洋玻纤增强热塑性柔性管的理论与数值分析

近年来海洋复合柔性管道逐渐在海洋工程中崭露头角。相对于钢管,复合柔性管凭借其弯曲性能好、重量轻、抗腐蚀能力强等一系列优异的性能在油气开采领域不断受到青睐。本文研究对象为一种三层粘结型玻璃纤维增强的热塑性复合柔性管,该类型管道包含外保护层(高密度聚乙烯HDPE)、中间复合材料增强层以及内衬层(高密度聚乙烯HDPE)。研究内容主要基于三维弹性理论和复合材料层合板理论,建立了玻纤增强热塑性复合柔性管的理论计算模型,推导了复合柔性管在轴对称载荷作用下的平衡微分方程,主要分析了管体在内压载荷作用下的应力与变形规律,并将理论计算结果与ABAQUS数值模拟结果进行比较分析,结论表明理论计算与数值仿真结果具有较好的一致性。最后基于该理论模型,研究了内衬层(外保护层)与增强层相对厚度对柔性管应力和变形的影响规律,结果表明管道的增强层为主要承载构件,在增强层纤维方向的应力远大于其他方向的应力,随着增强层从内向外扩展,纤维方向的应力逐渐减小,且内衬层(外保护层)厚度对管道整体的力学性能几乎没有影响。     

考虑轴向荷载和外压影响的非黏结柔性管道骨架层失效分析

非黏结柔性管道骨架层由不锈钢材料互锁缠绕而成,主要用于抵抗外压防止软管发生压溃失效.骨架层失效是柔性软管故障的最大风险,骨架层失效模式主要分为压溃失效和拉伸失效.采用非线性有限元方法并且考虑几何大变形、材料非线性、接触和摩擦等非线性效应的影响,对"S"型骨架层结构建立三维有限元模型,进行了单外压作用下的压溃失效分析和单一轴向拉力作用下的拉伸失效分析,而后开展轴向拉力和外压载荷组合作用下骨架层压溃失效分析.结果表明轴向拉力会一定程度上降低骨架层压溃承载力,相关结论可以为柔性软管结构设计和完整性评价提供参考.     

初始几何缺陷对UOE焊管屈曲压溃影响研究

UOE焊管经过一系列成型工艺可以得到高质量的成型结果,但管道截面仍存在一定初始几何缺陷,这将对管道性能产生明显影响。通过试验测定X65钢在循环载荷下的力学性能,并利用有限元分析软件对UOE焊管成型全过程进行模拟,分析主要成型参数对管道屈曲压溃压力的影响。分别采用有限元模拟和试验测量方法确定管道截面初始几何缺陷分布情况,并采用余弦函数形式拟合几何缺陷。结果表明,扩径阶段芯轴数目将对缺陷形式产生影响,且实际厚壁UOE管道几何缺陷形式更接近梨形而非椭圆形。评估厚壁UOE管道性能时,近似认为截面形式为椭圆形可能发生过于保守的问题。     

后挖沟深度对深海海底管道屈曲影响数值分析

鉴于海底管道的服役水深越来越深,主要采用犁式挖沟机对预铺设于海床之上的海底管道采取后挖沟的方式将海底管道埋设于海床之下,以保护其免受不必要的损伤。针对后挖沟深度H是海底挖沟机的重要设计参数,也是影响管道悬跨的重要因素的问题,对SMD(UK)犁式挖沟机展开参数优化,确保作业过程中悬跨段管道在外部静水压力作用下,海底管道不会发生屈曲破坏。采用ABAQUS软件,分别建立了作业前和作业中两种工况下的悬跨模型,分析机械手对接触部分管道的损伤,结果显示,作业中的机械手对悬跨管道的损伤更大;同时,建立了作业中不同管径下,后挖沟深度对管道损伤的安全裕量关系曲线。进一步,结合作业中不同挖沟深度下的管跨段屈曲数值模型,对处于外部静水压力作用下的悬跨管的屈曲失效展开分析,结果显示,随着后挖沟深度的加大,不同管径下的悬跨段管道局部出现塑性压溃的临界压力值不断降低;管道外径的增大,降低了同一后挖沟深度下发生屈曲失效的压力值。最后,在后挖沟深度与外部静水压力组成的区域内,建立屈曲失效临界关系曲线,并划分出工作区和压溃区,为深海管道后挖沟埋管的施工提供工程参考。     

浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力

本文基于一阶近似椭圆余弦波理论研究了浅水区非线性波浪对圆柱墩群的绕射作用,推得了计算圆柱墩群上的非线性波浪力的计算公式。为验证所得的理论成果,在大连理工大学沿岸工程国家重点实验室的波浪槽内进行了模型试验,试验的波浪范围,其特征波周期T(g/d)~(1/2)=8.08～22.86,特征波高H/d=0.1～0.45.理论计算结果与试验结果吻合良好.研究表明,浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力较之通常采用线性波理论的计算结果为大,其增大值随波浪非线性的增强而增大,可达相当大的数值。在本文计算和试验的范围内,最大可增大至4倍以上。建议当T(g/d)~(1/2)≥8时,应采用椭圆余弦波理论来计算波浪力。     

基于ABAQUS的卷管式铺管法管道变形敏感性分析

卷管式铺管法在海管铺设中的应用愈发广泛,在铺设作业中管道会发生几何非线性变形,导致出现复杂的力学性能变化。针对管道在上卷、退卷过程中的屈服变化过程,通过弹塑性理论进行分析,推导出管道退卷后残余轴向应力的解析解;随后利用有限元软件ABAQUS建立模型实例,对比解析解与有限元模型,两者的计算结果基本吻合。基于上述有限元模型,研究上卷时的张力和退卷时的后张力对椭圆度、截面轴向应力和剪切应力的影响,并进行敏感性分析。模拟结果表明张力和后张力变化会影响管道截面的变形程度,退卷后截面上残余的轴向应力远高于剪切应力,并且通过敏感性分析,得到了残余椭圆度、残余应力随张力和后张力变化的规律。研究可为卷管铺设过程中张力和后张力的选择提供参考和借鉴。     

PLAXIS2D模拟计算基坑开挖工程的适用性分析

岩土工程有限元分析软件PLAXIS2D已经被广泛应用于基坑开挖的数值模拟计算中,但关于其模拟计算基坑开挖工程的适用性问题,目前还未见有相关文献进行深入分析.鉴于此,利用PLAXIS2D对3个实际深基坑开挖工程进行了数值模拟计算,通过计算结果与实测结果的对比,分析了PLAXIS2D在基坑开挖工程中的适用性;在此基础上,对应用PLAXIS2D进行基坑开挖数值模拟计算的适用条件进行了探讨,研究结论对正确应用PLAXIS2D进行基坑开挖工程的模拟计算具有较好的参考价值.