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《大连理工大学》 2009年 博士论文
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海底输油软管力学响应研究

谷凡  
【摘要】: 海底管线是海洋石油开发的重要组成部分,传统上采用钢管外覆混凝土作为海底管线,腐蚀、悬跨管线静力破坏和疲劳破坏是其失效的主要原因。海底输油软管是由不同功能层组成的复合管线,具有优良的耐腐蚀性、挠性、抗疲劳性以及安装简便、可重复利用等优点,在国外正逐步取代传统钢质海底管线。鉴于国外海底输油软管使用现状和我国渤海、南海进口软管的成功使用案例,石油部门希望国内能自主研制生产相关产品以节省进口软管高额开支。我国橡胶行业参考了钢塑输水复合管线专利,研制开发出适用于石油领域的多层螺旋缠绕钢丝增强橡胶输油软管。这种海底输油软管既不同于国外同名软管产品,也不同于国内输水复合管线,是一种全新的复合管线并且尚未使用,国内外相关研究几乎空白。本课题来源于国家自然科学基金重点项目(50439010)—海底管线的损伤机理和健康诊断研究,受中国胜利油田研究设计院委托,以河北欧亚特种胶管有限公司出品的软管为原型试件,对海底输油软管力学响应进行相关理论与试验研究。 (1)海底管线悬空机理及悬跨长度研究 调查资料表明海底管线悬空现象较为普遍,这对海底管线安全运行带来很大隐患。在参阅国内外文献基础上,本文指出导致海底管线悬空的四种机理并进行全面分析。以埕岛海域为例,结合我国海底管线实际在位调查数据,本文对比分析了国内外学者提出的各海底管线悬跨长度、悬跨深度经验公式的适用性。 (2)实际海况中悬跨海底管线外载研究 实际海况中悬跨海底管线主要受到波流水动力作用。在参阅国内外文献基础上,本文总结了波流水动力对悬跨海底管线的荷载作用形式,指出埕岛海域悬跨海底管线外载体系可简化为潮流对海底管线在水平方向上的恒载和竖直方向上的动载、波浪对海底管线在水平方向上的动载。此外,本文以埕岛海域为例,对比线性Airy波理论、五阶Stokes波理论、椭圆余弦波理论所计算的波浪水质点速度、加速度,指出在计算埕岛海域海底管线波浪力时可采用线性Airy波理论。 (3)海底输油软管增强层本构关系研究。 增强层本构关系研究是海底输油软管力学分析的基础。结合软管增强层结构特点,本文对比分析了适用于连续纤维增强层的国内外8种经典预测模型,建议采用我国工程经验公式对材料正轴坐标系下钢丝缠绕增强层单层板面内工程弹性常数进行预测。基于复合材料细观理论,将我国工程经验公式扩展到三维情况:并运用张量理论得到结构柱坐标系下的钢丝缠绕增强层单层板本构方程。 (4)内压作用下海底输油软管力学响应研究 海底输油软管的功能荷载之一为内部介质压力。以往对内压作用下钢丝缠绕复合管线的力学研究通常采用薄壳理论,海底输油软管高内压要求使其在构造上为具有多层增强层的厚壁结构,因此不适合采用薄壳理论。本文将软管作为由多层各向异性增强层和多层各向同性橡胶层组成的层合结构,基于三维各向异性弹性理论提出内压作用下软管力学响应的解析解答。采用本文解析法对内压作用下软管的位移场、应变场和应力场进行计算,并对内压作用下软管原型试件进行静载试验研究,本文解析法计算结果与静载试验数据在变化趋势上一致,在数值上较为接近。 (5)内压、横向荷载联合作用下海底输油软管力学响应研究 实际海况中的悬跨海底输油软管既要承受内部介质压力,还要承受波流水动力横向荷载作用,并且软管挠性特性使其在实际海况中多处于大变形状态。本文采用梁挠曲线初参数方程确定软管在横向荷载作用下的轴向平均应变,并结合无限长小变形软管的三维正交各向异性弹性理论求解过程,提出内压、横向荷载联合作用下软管大变形力学响应的近似解析解答。采用本文解析法对内压、横向荷载联合作用下的软管力学响应进行计算并作以相关分析。海底输油软管的特殊材料和特殊结构使其等效轴向弹性模量不易确定,通过软管原型试件相关静载试验研究,对软管等效轴向弹性模量进行定性分析。 (6)海底输油软管疲劳损伤初探研究 实际海况中的悬跨海底输油软管将受到波流水动力动载作用,从而导致软管在服役期间会出现疲劳失效。结合横向周期荷载作用下的软管原型试件疲劳试验,基于复合材料细观损伤理论对软管进行微观损伤机理分析。海底输油软管具有特殊的应用领域,结合软管原型试件疲劳试验,提出软管端部鼓包、软管端部渗漏、软管自身渗漏三种失效准则。基于Rosen剪切滞后模型、结合Cox连续纤维荷载传递公式,对软管端部鼓包失效形式进行相关理论分析:基于线弹性断裂理论对软管端部渗漏失效形式进行相关理论分析;基于唯象损伤理论对软管自身渗漏失效形式进行相关理论分析。 (7)大变形海底输油软管动力响应初探研究 实际海况中的悬跨海底输油软管常受到波流水动力的动载作用,并且软管挠性特性使其处于大变形状态。本文将悬跨软管作为各向同性Bernoulli-Euler弹性曲梁,基于连续介质力学有限变形理论,并考虑软管内部流体运动情况,提出动载作用下悬跨软管大变形动力响应的泛定方程组并对其进行相关分析。


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