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。     

浮力装置触发深海管道水平向整体屈曲效果的数值模拟研究

海洋油气资源的运输主要通过海底管道进行,管道在工作时受到较大的温度荷载,会产生整体屈曲变形。深海管道设计中常采用人为装置触发一定程度的水平向整体屈曲变形,来释放轴向的温度应力,浮力装置是常用的触发方式之一。本文通过数值模拟研究,分析了不同浮力大小和不同浮力施加范围下,管道水平向整体屈曲的临界屈曲力,得出临界屈曲力随浮力大小和施加范围变化的情况;并研究了不同土体阻力下,浮力装置触发整体屈曲的效果。研究表明,水平向土体阻力较大时,浮力装置触发水平向整体屈曲的效果较好。浮力装置的触发效果对轴向土体阻力不敏感。     

管道热屈曲动力过程数值模拟

运输高温高压油气的海底管道会发生整体热屈曲现象。管道热屈曲过程中可能会产生平衡状态的跃迁(snapthrough),且这样的跃迁过程必然会伴随着动力响应。管道热屈曲动力过程中侧向弹出的速度以及轴向缩进的速度对管土相互作用参数的取值有很大影响,然而关于管道热屈曲动力过程的研究却很少。本文给出了数值模拟过程中管道系统阻尼值和升温速率的确定方法,研究了管道初始几何缺陷以及海床参数对管道热屈曲动力过程的影响。     

海底管线整体屈曲过程中塑性变形研究

海底管线是海洋油气工程中主要的输送手段。在工作状态下,受高温高压的影响,深海管线可能会发生水平向整体屈曲。随海洋油气作业水深的增大,施加于管线的温度和压强也逐渐增加,导致管线产生较大的屈曲位移和截面应力,使得截面产生塑性应变。本文采用数值模拟方法,对海底管线整体屈曲过程中塑性区的分布及其与整体屈曲影响因素的关联性、塑性变形对水平向变形的影响和塑性变形造成的截面椭圆度的变化规律进行分析,研究塑性变形对整体屈曲过程影响的规律。     

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%。     

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。     

海洋管线在轴力和外压联合作用下的涡形缺陷敏感度

本文基于Kármán-Donnell壳体方程,研究了具有涡形几何缺陷的海洋管线在轴力和外压共同作用下的后屈曲问题.文中利用双重尺度摄动法和Fourier展开相结合,导得了管线相应的初始后屈曲系数以及极值载荷与缺陷参数之间的定量关系.通过实例计算得到了一系列曲线图谱,它们描述了一些因素对缺陷敏感度的影响程度.     

深海管道轴向定向移动消减方案研究

为解决不埋深海管道在温压荷载循环作用下,轴向移动量不断累积的问题,采用数值模拟方法,在论证了钢悬链线立管（steel catenary riser,SCR）张力相比于其他因素对管道轴向移动影响更为显著的基础上,针对一端受到SCR张力作用的短管,分析了不同轴向移动消减方案的作用特点。研究表明,对管道进行锚固能有效约束其轴向移动,且在中部锚固需要的锚固力及管道内产生的有效轴向力均较小;滑动基础可通过释放一定的管道位移量来减少管中的应力累积。因此将中部锚固与端部滑动相结合可优化锚固系统,使锚固力进一步下降54%,管中最大有效轴向压力减小33%,从而最有效地消减轴向移动。     

Lateral Global Buckling of Submarine Pipelines Based on the Model of Nonlinear Pipe–Soil Interaction

With the increasing development and utilization of offshore oil and gas resources, global buckling failures of pipelines subjected to high temperature and high pressure are becoming increasingly important. For unburied or semi-buried submarine pipelines, lateral global buckling represents the main form of global buckling. The pipe–soil interaction determines the deformation and stress distribution of buckling pipelines. In this paper, the nonlinear pipe–soil interaction model is introduced into the analysis of pipeline lateral global buckling, a coupling method of PSI elements and the modified RIKS algorithm is proposed to study the lateral global buckling of a pipeline, and the buckling characteristics of submarine pipeline with a single arch symmetric initial imperfection under different pipe–soil interaction models are studied. Research shows that, compared with the ideal elastic–plastic pipe–soil interaction model, when the DNV-RP-F109 model is adopted to simulate the lateral pipe–soil interactions in the lateral global buckling of a pipeline, the buckling amplitude increases, however, the critical buckling force and the initial buckling temperature difference decreases. In the DNV-RP-F109 pipe–soil interaction model, the maximum soil resistance, the residual soil resistance, and the displacement to reach the maximum soil resistance have significant effects on the analysis results of pipeline global buckling.     

含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解

未埋设的海底管道在高温高压运行条件下可能发生侧向屈曲,情况严重时影响海底管道的结构安全。侧向屈曲临界力作为判定海底管道发生侧向屈曲的重要依据,主要影响因素有初始缺陷、管土相互作用等。现有关于侧向屈曲临界力的公式并未考虑管土相互作用、缺陷不平直度和管道自身材料特性对侧向屈曲临界力的综合影响。建立含有通用几何初始缺陷海底管道的数值模型,使用Riks算法进行参数分析以研究极限侧向土壤阻力、管道缺陷不平直度和截面几何尺寸对海底管道侧向屈曲的具体影响。基于量纲分析法和多元线性回归,推导出海底管道侧向屈曲临界力关于上述3个影响参数的一般公式,并对该公式进行了检验,结果表明文中推导的公式在参数涵盖的研究范围内有效。     

Experimental and finite element study on lateral global buckling of pipe-in-pipe structure by active control method

Offshore oil and gas exploration are gradually heading toward the deep sea and even the ultra-deep sea. According, the working temperature and pressure intensity of subsea oil and gas pipelines have increased by a considerable degree. This situation is accompanied by the global buckling problem in deep sea pipelines, which has become increasingly common. Meanwhile, ordinary single-layer pipelines cannot last for a long time under harsh deep-sea working conditions. Thus, multilayer pipelines, such as the pipe-in-pipe (PIP) structure and bundled pipelines, have gradually become top choices. However, the global buckling mechanisms of these multilayer pipelines are more complicated than those of single-layer pipelines. The sleeper–snake lay pipeline, which is an active control method for global buckling, was used in this study. The change and development laws of global buckling in a PIP structure at different wavelengths and amplitudes were determined through an experimental study. A dynamic solution method that considers artificial damping was adopted to establish finite element global buckling models of a PIP structure with initial imperfections. The effects of various factors, such as pipeline laying shape, sleeper–pipe function, and seabed–pipe function, on global buckling were analyzed. By the result of finite element method analysis, the initial imperfection, and sleeper–pipeline friction were determined to be the key factors that influenced critical pipeline buckling force. Accordingly, a reference for the design of PIP structures is presented.     

柔性管卷管式铺管上卷有限元模拟

采用卷管法进行海底管道铺设过程中,管道首先通过牵引作用上卷于卷筒进行储存。管道与卷筒发生非线性接触,可能会产生复杂的塑性变形和局部屈曲。通过全尺寸柔性管力学性能试验获得柔性管轴力—应变以及弯曲—曲率等非线性力学性能关系,将试验所得的非线性材料性能参数导入建立的两种柔性管上卷ABAQUS有限元模型（梁—实体单元模型与壳和桁架—实体单元模型）,实现柔性管较大轴向抗拉刚度和较小抗弯刚度的同步模拟以及管道与卷筒的非线性接触响应特征。通过对比分析两种有限元模型数值模拟得到的管道弯矩、弯曲曲率、管道轴力、管道与卷筒的接触压强等数据,发现在管道上卷过程中管道沿副法线方向的SM3弯矩占据其弯曲变形主导地位;管道与卷筒之间的摩擦效应对于管道轴力的影响较为显著;管道与卷筒的最大接触压强主要发生在卷管过渡段区域。