深海夾層保溫管的屈曲傳播.pdf

1、海底蘊藏著巨大的油氣資源，開采進程正逐漸由淺海邁向深海。相比于淺海，深海有著更加復雜的海洋環(huán)境，水溫低、壓力大。石油從海底挖掘出來時溫度高，使用隔熱不好的單壁管輸送時會導致石油凝固而造成管道堵塞。更大的壓力環(huán)境也對管道的結構提出更高的要求。夾層保溫管能夠適應這樣復雜多變的深海環(huán)境。這種管道由內管、夾心、外管組成，內、外管的材質均為合金鋼材料，以承受載荷，而夾心的材質為聚氨酯泡沫，以隔熱。在眾多失效形式中，最為值得研究的就是保溫管的屈曲與

2、屈曲傳播。目前對海洋保溫管道屈曲傳播的研究主要針對單壁管，對保溫管的研究還不多見報道。本文將保溫管視為夾心圓柱殼，運用彈性力學、塑性力學、夾層殼理論、非線性穩(wěn)定性理論、屈曲傳播實驗以及有限元法等對深海保溫管屈曲傳播問題進入深入研究，主要研究內容：
　　建立保溫夾層管的非線性控制方程。保溫管屈曲傳播將由三個區(qū)域構成：塌陷區(qū)、傳播區(qū)與未變形區(qū)。處在亞平衡狀態(tài)的傳播區(qū)沿著管道兩邊傳開來播。運用一階剪切變形理論，引入面板中面轉角，考慮中面

3、的薄膜影響，建立保溫夾層管內的非線性幾何方程，分析夾層管內的受力狀態(tài)，建立平衡方程和協(xié)調方程。
　　推導屈曲傳播壓力計算公式，獲得解析解。依據(jù)前期獲得的保溫管局部屈曲的位移場，分析夾層圓柱殼內外面板的變形機制，應用塑性全量理論，考慮塑性硬化的影響，采用彈塑性穩(wěn)定理論建立傳播區(qū)內的能量方程，并根據(jù)能量守恒定理，獲得保溫管屈曲傳播壓力的解析表達式，進行參數(shù)分析，深入研究不同徑厚比、不同夾層與夾心厚度比對及不同材料參數(shù)對應變強化系數(shù)、屈

4、服系數(shù)和屈曲傳播壓力值的影響。
　　開展實驗分析。設計制造高壓容器等儀器進行管道的屈曲傳播實驗。設置兩組管道徑厚比分別為17、32，獲得這兩組管道的屈曲傳播壓力實驗值。使用810 Material Test System（MTS）對管道試件進行拉伸實驗，得到管道材料的楊氏模量、屈服應力。運用Ramberg-Osgood非線性模型模擬保溫管壓潰后內、外層的彈塑性本構關系。
　　進行有限元仿真。使用ABAQUS有限元軟件建立保溫