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复杂条件下海底管线与土相互作用研究

程栋栋  
【摘要】: 随着海底石油、天然气资源的开发,管道运输作为油气运输中最快捷、经济、可靠的主要运输方式,在全世界范围内得到了广泛应用。海底管线是海洋油田生产系统中的一个重要组成部分。通过海底管线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。与陆上管道相比,海底管线的工作环境条件恶劣,运行风险更大,失效概率更高,海底管线的安全问题始终为人们所关注。目前,国内对这一方面的研究工作还很少,因此,对海底管线的安全稳定性进行研究分析具有重要意义。 海底管线系统包含立管、海底平管以及登陆管线三个主要部分,每一部分受到的荷载条件均不相同,复杂多变。本文依托渤海油田的管线工程,针对该区域特殊的荷载和环境条件下海底管线的稳定性进行了研究,提出了管线设计和防护的新方法及工程对策: 1.基于对管土相互作用的研究,对埋设海底管线在高温高压作用下的竖向屈曲问题进行研究,在分析理想管线的屈曲形态基础上,针对有初始缺陷海底管线的屈曲建立了新的理论计算方法,重点就温差、地基土的摩阻力、管线上覆土厚度及膨胀弯等因素对埋设管线拱起形状及管线内部应力的影响进行了研究,总结规律,指导海底管线的设计施工。 2.对于连接平台与海底管道的立管系统,针对其双层管的特殊结构性以及所受荷载条件的特殊复杂性,提出利用有限元法对立管系统进行非线性应力分析的新方法。模拟海床地基土与管线的相互作用及其他荷载条件,建立三维有限元模型,对立管系统的整体稳定性进行研究,针对管线的法兰位置、热膨胀量以及土对管线的约束等因素对管线应力的影响进行分析,为海底管线立管系统的优化设计提供了可靠依据。 3.对于登陆管线,针对天津临港工业区围海造陆工程对渤西海底管线的安全影响进行研究,建立有效的评估计算方法。利用有限元法和弹性地基梁理论方法,对大面积吹填土作用下的管线应力状态进行计算,提出吹填施工的技术要求;针对子隔埝对下方海底管线的影响,提出保护措施,并用有限元方法对保护状态下的管线和管周土体进行建模分析,验证其安全性;同时对围海造陆工程的施工提出了工程建议,保障管线的安全运行。 本人在论文期间参与了多项海底管线的设计分析工作,文中提出的各项分析方法均得到了实际应用,可以很好的满足工程需要,适应海底管线运行的复杂条件,为海底管线的设计与施工提供了切实可行的分析方法和依据。


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