【摘要】：隨著世界海洋石油工業(yè)的迅猛發(fā)展,海底管線在海洋石油、天然氣開采中得到了廣泛的應(yīng)用。為了降低運輸難度,原油需要在高溫、高壓條件下輸送,但這樣會導(dǎo)致海底管線發(fā)生溫度應(yīng)力下的整體屈曲,因此揭示海底管線發(fā)生整體屈曲的機(jī)理,建立溫度荷載作用下管線整體屈曲的分析方法具有重要的理論意義和實用價值。本文采用解析法與數(shù)值模擬法相結(jié)合的手段,對海底管線水平向整體屈曲產(chǎn)生機(jī)理和模擬分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究內(nèi)容如下: 對理想狀態(tài)下海底管線水平向整體屈曲進(jìn)行了分類,針對不同屈曲模式的管線建立了數(shù)學(xué)和力學(xué)分析模型;應(yīng)用理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等理論知識對管線屈曲的低階模態(tài)進(jìn)行求解,并推導(dǎo)相應(yīng)的解析解,進(jìn)而分析海底管線和土體之間的摩擦系數(shù)、輸油溫度、屈曲內(nèi)力和屈曲幅值之間的關(guān)系;提出了采用改進(jìn)的Riks算法并構(gòu)建溫度場和溫度流模型、合理設(shè)置海底管線和地基土體之間接觸關(guān)系,實現(xiàn)了對溫度應(yīng)力下海底管線水平向整體后屈曲的數(shù)值模擬;應(yīng)用ABAQUS有限元軟件,對具有不同初始缺陷的管線進(jìn)行了模擬分析,研究海底管線在溫度流和溫度場這兩種熱荷載作用下,水平向整體屈曲的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律,將分析結(jié)果與解析解進(jìn)行了對比。 研究表明,海底管線與土體之間的摩擦系數(shù)對理想管線的水平向整體屈曲有很大影響,當(dāng)僅考慮低階屈曲模式時,海底管線更易發(fā)生第二種模式的水平向整體屈曲;當(dāng)初始缺陷較小時,管線拱起幅值與溫度的關(guān)系曲線出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,而當(dāng)初始缺陷較大時管線的屈曲呈漸變型;隨著管線初始缺陷幅值的增加,管線發(fā)生水平向整體屈曲的臨界溫差降低;考慮管線輸油溫度沿程損失時,得到的海底管線水平向整體屈曲臨界溫差和屈曲應(yīng)力都較小。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：P756.2
【圖文】：

海底管線在原油、天然氣的生產(chǎn)、精煉、儲存及到使用的全過程中起到了關(guān)鍵性作用[1]。海底管線的失穩(wěn)包括局部屈曲和整體屈曲，對于海底管線，從局部來看屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，從整體來看屬于梁桿類結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)整體失穩(wěn)，即歐拉失穩(wěn)。由于原油具有高密度、高粘度和高凝固點等特點，為了降低運輸?shù)碾y度和避免石蠟分餾引起的固化，原油在必須在高溫高壓下運輸。管線在溫度應(yīng)力和材料泊松效應(yīng)的共同作用下使得管線中產(chǎn)生附加應(yīng)力，由于受到地基土的約束作用，管線無法自由變形，以釋放內(nèi)部應(yīng)力，隨著管線長度的增加附加應(yīng)力在管線中不斷的積累，當(dāng)其超過地基土體對管線的約束力時，管線就會發(fā)生整體失穩(wěn)引起突然變形而使內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，從而導(dǎo)致管線發(fā)生豎向和水平向的整體屈曲（見圖 1-1）。由于管線內(nèi)部承載著大量的油氣，一旦發(fā)生屈曲甚至屈服破壞，就會導(dǎo)致油氣泄漏，不僅造成資源的浪費并且去海洋生物及環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅[2]。因此研究海底管線在溫度應(yīng)力下的整體屈曲的特性具有非常重要的現(xiàn)實意義。

軟件ANSYS對海床上蛇形鋪管的水平向屈曲模型進(jìn)行了計算形鋪管形狀相比，蛇形鋪管更能有效的降低管線的臨界屈曲管線分布的預(yù)設(shè)位置的屈曲，并且能很好的控制管線的后屈后續(xù)的研究工作中認(rèn)為初始的幾何缺陷的幅值及缺陷長度對屈曲響應(yīng)有很大影響，臨界溫差隨著初始幾何缺陷幅值的增大屈曲的變形、彎矩、軸向應(yīng)變影響不大。臨界溫差隨著缺陷降低后增加的趨勢；在缺陷幅值一定時，改變?nèi)毕荻伍L度對管彎矩及軸向應(yīng)變影響不大。離長，輸送原油粘度高的海底管線來說，良好的保溫性是其能，有時外置保溫層的單層管不能滿足要求，因此產(chǎn)生了管束輸是將一根或多根管線安裝在同一個外管內(nèi)，并且在內(nèi)外管之材料，大大提高了管線的保溫性和安全性，其中最為典型的結(jié)in-Pipe systems）（如圖 1-3 所示）。由于結(jié)構(gòu)的改變，帶來了新發(fā)展。

第一章 緒論不相符。2002 年，Boreas Consultants，TWI和劍橋大學(xué)[19]共同開展了JIP (JointIndustProject) 項目，該項目的研究成果認(rèn)為，管線發(fā)生屈曲主要由以下 3 個變量控制管線中的軸力、管線的缺陷度(0ut-0f-Straightness，OOS)與所受約束。JIP項目總結(jié)了管線屈曲的形成機(jī)理并且分析了控制屈曲形態(tài)的主要因素，利用管線內(nèi)可控制的適度屈曲來釋放軸力，避免管線發(fā)生整體屈曲。在分析技術(shù)方面，JIP項目認(rèn)為非線性有限元技術(shù)是解決該問題的主要分析有段（見圖 1-4、圖 1-5），并且研制開發(fā)了基于ABAQUS平臺的SAFEBUCK軟件。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 趙天奉;高溫海底管道溫度應(yīng)力計算與屈曲模擬研究[D];大連理工大學(xué);2008年

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號：2753476