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有限元在海底管道设计中的应用研究

王猛  
【摘要】:海底管道是海洋油田生产系统中的一个重要组成部分。通过海底管道把海洋油田的整个油气集输、贮运系统联系起来,也使海洋油田与整个石油工业系统联系起来。随着我国海洋油田进一步开发,海底管道需要量会大大增加。海底管道设计是海底管道工程中的重要组成部分,没有良好的设计作为基础,会严重影响工程质量,施工建造和运营将变得毫无根据。自1985年以来,我国不断学习国外的先进技术,逐渐掌握了海底管道设计技术,设计水平不断提高,但相对于国外先进水平仍有很大差距,主要体现在没有将已经成熟的理论和先进的设计工具应用于实际工程之中。 目前国内外海底管道设计使用的设计工具为根据设计标准编制的EXCEL计算表单和有限元分析软件。国外有限元分析应用于设计过程中的广度和深度都优于国内。国内使用的有限元程序为SUSPEND、OFFPIPE和AUTOPIPE等。部分有限元程序编制时间较早,采用通用的输入方法,没有考虑模型自身特点,因此分析结果误差较大。 本文的主题是致力于将有限元分析理论和有限元分析软件应用于海底管道设计的应用研究。论文中以实际工程为例,进行了这方面的研究。首先以海底管道的立管吊装为研究对象,基于有限元理论,首次使用ANSYS建立了立管吊装有限元分析模型。ANSYS软件是通用的有限元程序,可以通过建模、求解和后处理三个过程对海底管道进行规范化的设计。比较ANSYS的后处理结果和SUSPEND的计算结果,立管吊装的最大应力点相同,ANSYS计算结果更为精确。 其次,对海底管道中经常出现交叉管道进行了分析。由于新建管道需要在三条已建管道上铺设,能否确保新旧管道的安全,是很重要的问题。因此本文使用ANSYS建立了交叉管道有限元分析模型,进行了有限元分析。分析表明,通过调整水泥垫块的厚度,减小管道弯曲程度,能保证新建管道应力控制在许用应力范围内。 此外,对使用铺管船法的铺设管道模型中的边界条件进行了重点研究,提出了将管道理想化为受分布载荷连续梁,并使用弹簧单元模拟管道铺设模型中的边界条件的方法。


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