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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

海底管线柔性导流板的变形方程研究

海底输油管线是海洋油气田开发的生命线工程,在复杂的海洋环境中易发生破坏.为使管线实现自埋防护,提出用柔性材料代替刚性导流板安装在管线顶部,不仅可以增加阻水面积,加大冲刷深度和范围,而且可以减缓刚性导流板对管线上部水流的扰动强度和尾流涡旋的扰动强度,减小管线的振动.利用力学关系由变形方程推导出海底管线与海底间距离为零以及不为零情况下柔性导流板变形的二次曲面方程和自由端最大挠度.在单向流条件下将不同材料不同长度的柔性导流板安装在管线中轴上方开展试验研究,测量柔性导流板在水流作用下的变形曲面.对比分析利用公式计算柔性导流板的自由端最大挠度和曲面变形数据与试验结果,发现两者吻合较好.     

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.     

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%。     

A lateral global buckling failure envelope for a high temperature and high pressure (HT/HP) submarine pipeline

Submarine pipelines are the primary component of an offshore oil transportation system. Under operating conditions, a pipeline is subjected to high temperatures and pressures to improve oil mobility. As a result, additional stress accumulates in pipeline sections, which causes global buckling. For an exposed deep-water pipeline, lateral buckling is the major form of this global buckling. Large lateral displacement causes a very high bending moment which may lead to a local buckling failure in the pipe cross-section. This paper proposes a lateral global buckling failure envelope for deep-water HT/HP pipelines using a numerical simulation analysis. It analyzes the factors influencing the envelope, including the thickness t, diameter D, soil resistance coefficient μ, calculating length L_f, imperfection length L and imperfection amplitude V. Equations to calculate the failure envelope are established to make future post-buckling pipeline failure assessment more convenient. The results show that (1) the limit pressure difference p_max (the failure pressure difference for a post-buckling pipeline when it suffers no difference in temperature) is usually below the burst pressure difference p_b (which is the largest pressure difference a pipeline can bear and is determined from the strength and sectional dimensions of the pipeline) and is approximately 0.62–0.75 times the value of p_b and (2) thickness t has little influence on the normalized envelopes, but affects p_max. The diameter D, soil resistance coefficient μ, and calculating length L_f influence the maximum failure temperature difference T_max (the failure temperature difference for a pipeline suffering no pressure difference). The diameter D also significantly affects the form of the normalized envelope.     

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。     

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。