深海油氣管道鋪設(shè)的非線性屈曲理論分析與數(shù)值模擬.pdf

1、海底管道是深海油氣開發(fā)建設(shè)工程的重要組成部分，特殊的工作環(huán)境和設(shè)計(jì)需要決定了管道鋪設(shè)過程具有不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)性。無論采用的是S型鋪管法、J型鋪管法，還是卷管式鋪管法，管道都要受到不同程度的彎曲、軸向拉力和外部巨大靜水壓力的作用，在深海鋪設(shè)時(shí)管道極易發(fā)生局部屈曲和屈曲傳播，導(dǎo)致整條管道報(bào)廢，由此將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展深海油氣管道鋪設(shè)過程的非線性屈曲分析和承載能力研究，對(duì)提升我國深海油氣管道的鋪設(shè)設(shè)計(jì)能力和計(jì)算分析技術(shù)，以及確保海底

2、管道在鋪設(shè)施工期間的安全性具有重要的工程意義。 本文在詳細(xì)分析鋪設(shè)過程管道受力變化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同荷載組合和加載路徑下管道的承載能力、橢圓化屈曲變形等一系列問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究。主要研究工作概述為以下幾個(gè)方面： （1）結(jié)合管道從鋪管船經(jīng)托管架到海床的受力變化特點(diǎn)，基于非線性環(huán)理論、材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、虛功方程和Newton—Raphson迭代法建立了一套深海油氣管道鋪設(shè)的非線性屈曲分析基本理論。 （

3、2）分別進(jìn)行了軸向拉力和彎曲組合作用以及靜水壓力、軸向拉力和彎曲共同作用管道的屈曲模式和極限承載能力分析，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算分析程序，建立的屈曲理論分析方法適用于S型、J型和卷管式鋪管法。 （3）建立了管道在軸向拉力和彎曲組合作用以及靜水壓力、軸向拉力和彎曲共同作用下三維有限元數(shù)值模型，分析了管道的受力性能以及相應(yīng)的屈曲響應(yīng)，并與理論分析結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了屈曲理論分析方法的正確性。 （4）利用非線性屈曲分析理論，分析了

4、不同加載路徑、管道徑厚比、材料性能等參數(shù)對(duì)管道屈曲的影響，為深海油氣管道設(shè)計(jì)和鋪管作業(yè)提供了重要的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。 （5）開發(fā)了S型鋪管受力分析軟件和鋪管船數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。針對(duì)深海油氣管道S型鋪設(shè)過程中的受力特性，本文在懸鏈線理論計(jì)算程序的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套適用于不同水深的S型鋪管法管道受力計(jì)算分析軟件。另外，本文還開發(fā)了鋪管船數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以方便實(shí)際鋪管作業(yè)中對(duì)鋪管船的選擇。 本文的研究工作受到“十一五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)