分布浮力式海底管道側(cè)向屈曲分析與優(yōu)化.pdf

1、海底管道是深海油氣資源開采與輸送中不可或缺的組成部分，出于成本及技術(shù)難度考慮，深海油氣輸送管道一般直接鋪設(shè)在海床上。高溫高壓引發(fā)的軸向膨脹會導(dǎo)致管道在海床平面內(nèi)發(fā)生整體側(cè)向屈曲，這是是海底管道主要的失效模式，不加控制的側(cè)向屈曲會嚴重威脅管道的安全運營。分布浮力式側(cè)向屈曲控制方式，作為深海油氣輸送管道側(cè)向屈曲控制的主要技術(shù)之一，已經(jīng)得到成功的工程應(yīng)用。但是相關(guān)理論研究的缺乏，仍制約著對其力學(xué)機理的清晰認知。此外，對于深海管道分布浮力系統(tǒng)側(cè)

2、向屈曲控制設(shè)計，須滿足不同的性能需求，并且相鄰分布浮力模塊之間存在耦合效應(yīng)。傳統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法盡管可以滿足對側(cè)向屈曲控制的性能需求，但很難保證設(shè)計方案的控制效果是最優(yōu)的。
　　本文圍繞分布浮力式海底管道側(cè)向屈曲理論分析模型、高效的理論分析近似解答、側(cè)向屈曲誘發(fā)裝置布置準則以及面向性能的海底管道分布浮力系統(tǒng)側(cè)向屈曲控制優(yōu)化設(shè)計等展開了研究。
　　主要內(nèi)容如下:
　　(1)采用解析分析方法推導(dǎo)了分布浮力式海底管道側(cè)向屈

3、曲理論分析模型。首先，通過對分布浮力模塊設(shè)計參數(shù)的無量綱化處理，將物理上無上界的設(shè)計空間轉(zhuǎn)化為力學(xué)上有界的設(shè)計域。其次，推導(dǎo)了分布浮力式海底管道側(cè)向屈曲的屈曲方程，得到了位移函數(shù)的解析解答。將經(jīng)典的Hobbs關(guān)于理想長直管道整體屈曲理論分析模型推廣到含有分布浮力模塊裝置這一特殊初始缺陷的管道整體屈曲問題。與前人理論研究進行了對比，驗證了本文理論分析模型的合理性。最后，對理論分析模型解的工程意義進行了討論，探究了一階模式與三階模式側(cè)向屈曲

4、的內(nèi)在聯(lián)系。
　　(2)采用響應(yīng)面法(Response Surface Methodology，RSM)對分布浮力式海底管道側(cè)向屈曲理論分析模型進行了簡化與修正，得到了理論分析模型的近似解答，克服了其可能產(chǎn)生不滿足工程意義的解的缺陷，顯著地提高了計算效率。與海底管線實際模型的有限元數(shù)值仿真進行了對比分析，驗證了理論分析近似模型的求解精度，結(jié)果表明三階屈曲模式的誤差在工程可接受范圍內(nèi)，而有限元數(shù)值仿真無法得到精確的分布浮力式海底管道

5、一階模式的側(cè)向屈曲。基于近似模型對分布浮力模塊設(shè)計參數(shù)對管道側(cè)向屈曲力學(xué)行為的影響進行了分析，為工程上初始設(shè)計階段確定設(shè)計參數(shù)提供了參考。
　　(3)對誘發(fā)裝置作用下管道側(cè)向屈曲控制的失效模式進行了分析，給出了側(cè)向屈曲誘發(fā)裝置的布置準則。提出了側(cè)向屈曲誘發(fā)裝置布置的軸力區(qū)間判別法，結(jié)合失效模式對軸力區(qū)間判別法的軸力上、下限進行了分析。通過算例分析驗證了軸力區(qū)間判別法的有效性與合理性。并考慮了不確定性因素對軸力區(qū)間的影響，分析結(jié)果表