刚性连接双层海底管道高温侧向屈曲分析方法研究

以惠州25-3/1双层海底管道为例,提出高温荷载下刚性连接双层海底管道的侧向屈曲分析方法,并研究该类管道的侧向屈曲特性.将解析分析与有限元技术相结合,在提出刚性连接双层海底管道屈曲分析方法的同时,发展了Hobbs公式的应用范围,使其成为屈曲分析有限元建模指导工具.以分析不稳定平衡问题的改进Riks方法被证明为高温海底管道屈曲分析的有效算法,得到的弧长-载荷比例因子曲线能够充分地描述双层管道的屈曲失稳过程.惠州管道的分析结果表明,刚性连接双层海底管道的整体热稳定性较高,在海床上一般不容易发生侧向屈曲,但热荷载作用下内管的后屈曲将有可能引发较高的应力集中,对此需要充分校核;另外环空间隙的减小有利于提高内管的临界屈曲载荷,从而提升管道的整体性能.     

考虑初始嵌入深度变异性的海底管道整体侧向屈曲分析

海底管道是海洋油气工程的重要组成部分,在高温高压运行状态下易发生整体屈曲,开裂破坏后造成油气泄露。海床土体对管道的侧向抗力是影响其屈曲的关键因素,而管道侧向抗力发挥与初始嵌入深度密切相关。构建了海底管道整体屈曲数值模型,对初始嵌入深度等因素进行不确定性分析,揭示了初始嵌入深度变异性对管道屈曲的影响机制。研究发现：当初始嵌入深度越大、初始缺陷越小时,管道临界屈曲轴力越大,屈曲位移越小;管道嵌入深度变异性的存在会导致管道更易屈曲,并诱发不对称的三阶屈曲或更高阶屈曲;管道嵌入深度在空间上的变异性对屈曲发生概率P（p＜pdet）存在影响,而相关性的改变对管道屈曲影响较小;管道存在屈曲模式转变界限升温,当屈曲升温大于界限升温时,管道发生跳跃型屈曲,反之则发生分岔型屈曲。     

考虑海底管线初始侧向变形的低阶模态水平向整体屈曲分析

温度应力下海底管线的整体屈曲是海底管线设计中的关键问题之一,不埋或半埋的海底管线较易发生水平向整体屈曲。海底管线会因为制造的缺陷或铺设的原因而具有初始变形,即初始侧向变形。研究了初始侧向变形对海底管线整体屈曲的影响,应用小变形理论建立了单拱侧向变形和反对称双拱侧向变形管线发生低阶模态水平向整体屈曲的理论分析方法,结合工程实例分析了初始侧向变形形态、侧向变形幅值以及地基土体强度特性对管线水平向整体屈曲的影响。结果表明,初始侧向变形的存在使管线更易发生整体屈曲;而反对称双拱侧向变形比单拱侧向变形更易引起管线整体屈曲;随初始侧向变形幅值的增加管线发生整体屈曲所需要的温差降低,且整体屈曲变形形态有所改变管土间摩擦系数的增加会提高管线发生整体屈曲的温差,从而提高管线抵抗整体屈曲变形的能力。     

考虑海底管线初始侧向变形的低阶模态

温度应力下海底管线的整体屈曲是海底管线设计中的关键问题之一,不埋或半埋的海底管线较易发生水平向整体屈曲。海底管线会因为制造的缺陷或铺设的原因而具有初始变形,即初始侧向变形。研究了初始侧向变形对海底管线整体屈曲的影响,应用小变形理论建立了单拱侧向变形和反对称双拱侧向变形管线发生低阶模态水平向整体屈曲的理论分析方法,结合工程实例分析了初始侧向变形形态、侧向变形幅值以及地基土体强度特性对管线水平向整体屈曲的影响。结果表明,初始侧向变形的存在使管线更易发生整体屈曲;而反对称双拱侧向变形比单拱侧向变形更易引起管线整体屈曲;随初始侧向变形幅值的增加管线发生整体屈曲所需要的温差降低,且整体屈曲变形形态有所改变管土间摩擦系数的增加会提高管线发生整体屈曲的温差,从而提高管线抵抗整体屈曲变形的能力。     

海底管道的初始屈服研究

本文由ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则，建立了承受弯曲与外压联合作用下的海底输油（气）管道的初始屈服公式。公式中考虑了实际管道的初始椭圆率。对深水域管道的初始屈服强度作了数值预测。给出了各种参数对屈服强度的影响曲线     

双拱初始缺陷海底管线水平向整体屈曲数值模拟分析

为了研究具有双拱反对称初始缺陷海底管线的整体屈曲特性,采用模态分析法将最可能出现的缺陷形态引入数值分析模型中。针对管线在高温高压作用下发生整体屈曲的动态变形特征,运用显式动力数值模拟方法研究了管线整体屈曲过程中水平向变形与轴向变形随温度和内压的变化规律,建立了在整体屈曲过程中屈曲管段与滑动管段轴力的变化过程与初始缺陷形态的关系。将数值模拟结果同经典解析解和室内模型实验结果进行对比,验证了本方法的可靠性。工程算例的分析结果表明,管线整体屈曲的发生是一个由低阶向高阶发展的过程,具有双拱缺陷的管线首先发生二阶模态的整体屈曲,而后过渡到四阶模态;管线整体屈曲的变形包括屈曲段的水平向变形和滑动管段的轴向缩进,其中水平变形释放了管壁内的轴力,轴力的释放量随初始缺陷尖锐程度的降低而增大;轴向缩进变形由于受到地基土的摩阻力使滑动管段内的轴力发生累积,轴力的累积量随初始缺陷的尖锐程度的降低而增加。以上研究成果对指导实际工程具有现实意义。     

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。     

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明：海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。     

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。     

海底埋设高温管道隆起屈曲数值模拟研究

高温是引发海底管道整体屈曲失效的主要因素,而海床上存在的局部隆起使得高温埋设管道更加容易发生隆起屈曲。这里重点研究海底埋设高温管道发生隆起屈曲的临界温度载荷及其影响因素,提出了一种简化的数值模拟分析模型,同已有的相关实验结果比较表明,本方法可以较好地近似计算高温管道的隆起屈曲。基于本方法开展的参数分析,得到了管道覆土高度、混凝土配重层厚度、海床不平整对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势。     

海底管线水平向整体屈曲及失效判断方法研究

海底管线是海洋石油的重要输运手段。为满足输送工艺的需要,正常工作条件下管线往往被施加较高的温度和压强,高温高压使管线内产生附加应力,当附加应力大于土体对管线的约束力时,管线就会发生整体屈曲。过度的水平向整体屈曲会导致截面产生较大的弯曲应力和压缩应变,对管线系统的安全运行造成威胁,因此需要对发生水平向整体屈曲后的管线进行验算。采用解析解法、规范法和有限元法对管线的整体屈曲进行分析,提出了应用临界屈曲荷载值域空间和值域下限来判断不同缺陷大小下管线是否发生水平向整体屈曲的方法。结合工程实例,分别采用内力控制标准和位移控制标准对管线水平向整体屈曲后是否失效进行了验算。研究指出,相较于位移标准,内力控制标准更为严格。     

海底管道整体屈曲的枕木-浮力耦合法研究

不埋海底管道在高温高压作用下,易发生水平向整体屈曲。实际工程中,常通过在管道路由上设置整体屈曲触发装置,实现对水平向整体屈曲的有效控制,其中以枕木法的成功应用最为多见。本文分析了枕木法的主要影响因素并验证了采用枕木法会出现管道屈曲段应力集中的现象,对比了枕木法、分布浮力法和枕木-浮力耦合法对管道整体屈曲变形规律的影响,采用数值模拟方法系统研究了枕木及浮力参数对管道水平向屈曲和后屈曲的影响规律。研究表明,在枕木两侧设置浮力段的人工触发装置可有效触发管道整体屈曲,同时促使管道虚拟锚固点间轴力的释放,降低了管道中屈曲段的应力,相较枕木法,枕木-浮力耦合法可将管道中的最大应力降低23%。     

土体约束对海底管道整体屈曲的影响机理研究

高温高压下海底管道的整体屈曲稳定性分析是管道设计的重要组成部分,而选取多长的管道进行分析对其整体屈曲稳定性结果影响显著。依据临界管长将管道分为"长管"与"短管",基于动力显式分析方法,揭示了长管与短管在发生整体屈曲过程中,屈曲幅值与波长、管壁轴向压力、轴向应变及轴向位移的变化规律;研究了土体约束力影响管道临界长度的规律性,分析了土体约束力系数对长管与短管整体屈曲变形的影响。研究发现,土体约束力对短管的整体屈曲行为影响显著,短管的整体屈曲幅值随土体约束力系数的增大呈现先增大后减小的趋势。该项研究对区分不同长度管道的整体屈曲类型进而采取有效防控措施具有重要参考价值。     

蛇形铺设管道触发水平向整体屈曲效果研究

海底管道在深海石油开发工程中有着广泛的应用,管道在工作时受到高温高压会触发水平向整体屈曲变形,蛇形铺管法是控制管道水平向整体屈曲变形的有效手段。采用数值模拟方法,对蛇形铺设管道的关键参数进行研究,分析关键参数对临界屈曲荷载和屈曲后截面应力应变状态的影响。对每一组蛇形铺设管道都设置了直线型铺设管道的对照组,对照组采用引入初始挠曲的方法激发水平向整体屈曲,初始挠曲程度与蛇形铺设管道相同。通过与直线型铺设管道的对比,显示了蛇形铺设管道在激发和控制屈曲方面的优势,并对不同土体阻力情况下蛇形铺设管道的实际效果进行了评估。结果表明,蛇形铺设管道的临界屈曲力和屈曲后的弯矩皆远小于直线型管道。蛇形铺设管道的临界屈曲力随圆心角θ增大而减小,随曲率半径R的增大而增大。增大跨度L、曲率半径R和圆心角θ都能有效减小蛇形铺设管道的截面弯矩。水平向土体阻力对蛇形铺设管道影响较大,水平向土体阻力较小时,蛇形铺设管道控制屈曲的效果更为明显。     

Numerical study on lateral buckling of pipelines with imperfection and sleeper

Lateral buckling is an important issue in unburied high-temperature and high-pressure (HT/HP) subsea pipelines systems. The imperfection–sleeper method is one of the most well-known methods used to control lateral buckling of HT/HP pipelines. Pipelines–sleeper–seabed numerical models are established and verified to analyze the buckling behavior of pipelines using the imperfection–sleeper method. The influence of six main factors on lateral buckling behavior is investigated in details based on the numerical results. Equations of buckling displacement (buckling displacement is defined by the final displacement of the middle point of the pipelines), critical buckling force, and buckling stress (Mises stress) are proposed using the gene expression programming technique. These equations show good accuracy and can be used to assist in the design of sleepers and assess the compressive and stress levels of pipelines.     

带损伤海底石油管线的安全评估

综述了国际上在管线损伤方面的研究工作，供我国开展在役管线的安全评估时参考。