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深水海底管道铺设受力性能分析

梁振庭  
【摘要】: 海底管道是深水油气开发建设工程的重要组成部分,对海上油气田的开发、生产和外输起着关键性的作用。受到深水恶劣海洋环境的影响,海底管道铺设具有不可预见的风险性,尤其当海底管道受到弯曲、轴向拉力以及静水压力的组合作用下,其临界屈曲的危险性更突出。因此,开展深水海底管道铺设过程中的受力性能研究显得尤为重要。深水海底管道铺设有三种方法:S型铺管法、J型铺管法和卷管式铺管法,本文在系统地分析和总结国内外这三种铺管法现状和发展趋势的基础上,对海底管道在深水铺设施工过程中受到弯曲作用及弯曲和静水压力组合作用的承载能力、管道椭圆化屈曲变形及屈曲传递等一系列问题进行了较为深入的研究,并结合3000 m水深海底管道铺设所面对的工程实际问题,提出了一些管道施工工艺和技术建议,做到了理论研究与工程实践紧密相结合从而达到相互促进的目的,这既为深水海底管道的铺设技术提供了理论依据和重要的参考价值,同时也为海洋油气资源的安全开发提供可靠的保证。本文的主要研究成果概述为以下几个方面: (1)开发了卷管式铺管法的受力分析软件,软件的主要功能是计算管道在卷管式铺管法施工过程中遇到的纯弯、拉弯、压弯、径向压力等工况下的受力状态。该软件以材料力学的解析方法为理论基础,运用了理想弹塑性和线性强化两种本构模型进行分析,计算结果可以通过图形和文档两种形式输出。 (2)以管道屈曲变形侧向对称和轴向变形均匀的假定为基础,通过应用非线性环理论的位移一应变关系、Ramberg-Osgood本构关系模型和虚功原理等关系式建立了弹塑性屈曲分析的计算方法。该计算方法可以预测管道在纯弯曲作用以及弯曲和静水压力组合作用下的受力和屈曲情况。 (3)建立了一系列管道的三维有限元模型,用数值模拟的方法对管道弹塑性的弯曲问题进行了深入的分析,并对不同径厚比的管道受力情况和屈曲规律作了深入探讨。 (4)对管道止屈器的分类、技术规格、性能等方面作了详细的介绍,基于大量现有实验数据的统计,对整体式止屈器的各种参数进行了敏感性分析,提出了管道止屈器的设计方法和经验公式。 本文的研究工作受到“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项课题“深水海底管道铺设技术”的资助,是子课题《深水海底管道铺设工艺设计和计算分析技术研究》(课题编号:2006AA09A105-1)的重要组成部分。


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