| 海底长输管道侧向整体屈曲分析方法研究 |
| 英文题名 | Prediction of Lateral Global Buckling of a Long-distance Submarine Pipeline
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| 汪宁
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| 导师 | 高福平
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| 2016
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 工程力学
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| 摘要 | 海底长输管道是海洋油气输运中最常用的输运手段。在服役过程中，部分嵌入床面的海底管道在多种载荷作用下可能发生整体屈曲现象，沿侧向（lateral buckling）和轴向（pipeline walking）发生运动，同时伴随有嵌入深度的变化。管道与土体间的相互作用在轴向、侧向、垂向彼此影响，是一个多向耦联的三维问题。由海床所提供的最大土阻力则是决定载荷作用下的管道稳定性和管道屈曲过程的关键因素之一。厘清管土相互作用机理、对海底管道位移进行准确预测并加以控制，对保障海上油气安全生产具有至关重要的意义。本文围绕长输管道在侧向屈曲过程中的管土相互作用，采用模型实验与数值模拟手段，研究了部分嵌入床面的顺坡管道沿轴向的管土相互作用机理及抗滑能力；建立了考虑多向耦联的三维管土相互作用模型；并最终提出了一种模拟海底长输管道在温度升高过程中的侧向屈曲现象的半解析方法。 基于量纲分析，设计并开展了顺坡管道的轴向机械加载实验并辅以有限元数值模拟，分析了斜坡砂质海床上的轴向管土相互作用机理，讨论了无量纲管道抗滑力与相关参量之间的关系，并提出了顺坡管道轴向抗滑力的半经验公式。实验研究和数值模拟结果表明，管道表面粗糙度对土体塑性剪切带的形成有重要影响，并进而影响到管道轴向抗滑力与管道嵌入深度。管道表面较光滑时，土体不发生剪切破坏，轴向土阻力相对较小，且随轴向位移增大而进一步降低，管道嵌入深度在加载过程中的发展也较小。而当管道表面较为粗糙时，土体塑性剪切带的产生增大了轴向土阻力，也促使管道嵌入深度随轴向运动发展更快。当嵌入深度不超过0.15D时，无量纲轴向抗滑力与管道水下重量呈线性递增关系。而对于嵌入深度接近0.5D的情况，分析得到了管道抗滑力与水下重量的关系曲线，并对前人考虑“楔形效应”的土阻力计算公式进行了修正。床面坡度变化会引起管道水下重量沿轴向分量的改变，从而对管道轴向抗滑力产生影响；同时也根据管道运动方向的不同对土体塑性剪切带厚度产生影响。 基于滑移线场理论，提出了平面应变条件下的二维管土相互作用模型。在管道受到与床面成一定角度的外载作用并压迫土体发生塑性破坏时，构造了土体的破坏模式，推导得到了水平海床上管段所受侧向极限土阻力的显式表达式，同时考虑了土体粘聚力与有效内摩擦角对极限承载力的影响。基于对轴向管土相互作用的研究，并考虑其对侧向极限承载力的影响，将上述模型发展为三维承载力模型。模型可用于计算在给定的载荷方向上床面土体对管道的承载力，同时估算管道在失稳时的位移增量方向。基于该模型得到的承载力包络面形状平滑、规则，可应用于长输管道整体屈曲数值模拟分析。 提出了海底长输管道侧向整体屈曲的半解析模拟方法。模拟方法通过编程软件MATLAB实现。根据计算需要，对上述三维管土相互作用模型进行了经验简化，并作为管土相互作用的塑性模型。采用三维直梁单元模拟海底管道的弹性变形。模拟方法考虑了管道尺寸、管道材质、土体强度、管道嵌入深度等因素对屈曲过程的影响，并进行了参量分析。对具有单段初始挠曲管道的屈曲模拟结果表明，管道杨氏模量、初始曲率的增大可以使侧向屈曲更早发生并产生更大的侧向位移，而管道水下重量的增大则对侧向屈曲现象有显著的抑制作用。 |
| 索取号 | 31375
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59444
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| 专题 | 流固耦合系统力学重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
汪宁. 海底长输管道侧向整体屈曲分析方法研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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