【摘要】：海底管道是海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分,在海洋油氣資源的開發(fā)中發(fā)揮著重大作用,被喻為海上油氣田的“生命線”。海底管道的安全高效運行是油氣田正常生產(chǎn)的重要保證。為保證海底管道的安全運行,最大程度地避免海底管道失效事故的發(fā)生,海底管道服役期運行結(jié)構(gòu)安全成為各大國際石油公司關(guān)注的焦點。隨著油氣田開發(fā)水深的不斷增加,深水海底管道面臨諸多新的挑戰(zhàn),本文推導(dǎo)了深水管道沉降量計算公式,采用鋪管時管道沉降的計算方法,研究了管道沉降理論計算方法與數(shù)值模擬方法的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上給出了管-土相互作用摩阻力曲線。推導(dǎo)了豎向和水平向熱屈曲的解析解,采用海底管道豎向和水平向熱屈曲的有限元方法,研究了解析解法和數(shù)值模擬法的區(qū)別與聯(lián)系。闡述了豎向和水平向熱屈曲的防護措施,分析了壓塊保護法和枕木法控制管道豎向和水平向熱屈曲的機理,并結(jié)合工程實例,驗證了兩種防護方法的實施效果。提出基于ARVM模型的滑坡分析方法,設(shè)計了混凝土聯(lián)鎖排以防護海底沖刷,并結(jié)合工程實例進行了分析。本文闡述了海底管道常用的檢測與維修方法及適用范圍,并結(jié)合具體工程實例給出了海底管道檢測與維修的過程與步驟。通過研究得到以下結(jié)論:(1)管道直徑和管重對沉降量的影響較大,管道沉降與管徑成反比,與管重成正比;土體不排水抗剪強度對管道沉降的影響也不可忽視,隨著土體強度的增加,管道沉降量呈指數(shù)衰減。當土體強度達到2.0kPa時,管道沉降量趨于一致。該結(jié)果與幾內(nèi)亞灣和安哥拉海域?qū)嶋H工程經(jīng)驗和現(xiàn)場實際觀測數(shù)據(jù)相符。(2)無論是豎向熱屈曲還是水平向熱屈曲,屈曲變形都是基于管道的幾何初始缺陷發(fā)展而來,且在管道中點處軸向應(yīng)力(應(yīng)變)和軸力最大;相比于有限元的模擬結(jié)果,解析解計算得到管道發(fā)生熱屈曲的屈曲溫差較大,二者最大相差20%。(3)枕木防護技術(shù)中,管道初始水平向位移越大,管道的臨界屈曲荷載越低,且隨著管道初始水平向位移的增大,管道壁厚對臨界屈曲荷載的影響逐漸減弱。相同壁厚條件下隨著雙枕木間隔的增大,管道的臨界屈曲荷載逐漸降低,降低幅度較均勻。(4)ARVM模型能實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)量化計算,在計算時模型采用的計算內(nèi)核不同,所得預(yù)測結(jié)果的準確性也不同,且需先進行先導(dǎo)計算以確定最優(yōu)超參數(shù)值;混凝土聯(lián)鎖排排首處塊體的水流環(huán)境最為復(fù)雜,排首逆水面水流動態(tài)壓力最大,容易產(chǎn)生掀起,邊緣排體應(yīng)適當增加厚度或增加流線設(shè)計,降低水流的沖擊力度。(5)結(jié)合工程實例,詳述了管道內(nèi)檢及外檢的實用方法,依據(jù)管道監(jiān)測結(jié)果對管道破損類型進行劃分,建立了以破損類型為判斷指標的管道破損程度分類方法,開展了與破損程度相對應(yīng)的管道維修作業(yè)方法研究。
[Abstract]:Submarine pipeline is the main component of offshore oil and gas field development and production system. It plays an important role in the development of offshore oil and gas resources and is regarded as the "lifeline" of offshore oil and gas field. The safe and efficient operation of submarine pipelines is an important guarantee for the normal production of oil and gas fields. In order to ensure the safe operation of the submarine pipeline and avoid the failure accident of the submarine pipeline to the greatest extent, the safety of the operating structure of the submarine pipeline in service has become the focus of attention of the major international oil companies. With the increasing water depth of oil and gas field development, the deepwater submarine pipeline is facing many new challenges. In this paper, the formula for calculating the settlement of deep water pipeline is derived, and the calculation method of pipeline settlement when laying pipes is adopted in this paper. The relationship between the theoretical calculation method of pipeline settlement and the numerical simulation method is studied, and the friction curve of pipe-soil interaction is given. The analytical solutions of vertical and horizontal thermal buckling are derived. The difference and relation between the analytical method and the numerical simulation method are studied by using the finite element method of vertical and horizontal thermal buckling of submarine pipelines. The protective measures of vertical and horizontal thermal buckling are expounded, the mechanism of controlling vertical and horizontal thermal buckling of pipes by block protection and sleeper method is analyzed, and the effect of the two protection methods is verified by an engineering example. A landslide analysis method based on ARVM model is put forward, and concrete interlocking row is designed to protect seabed scour. In this paper, the commonly used detection and maintenance methods and the applicable scope of submarine pipeline are expounded, and the process and steps of submarine pipeline inspection and maintenance are given in combination with concrete engineering examples. The conclusions are as follows: (1) the influence of pipe diameter and pipe weight on the settlement is great, the pipe settlement is inversely proportional to the pipe diameter, and the influence of the undrained shear strength on the pipeline settlement cannot be ignored. With the increase of soil strength, the pipe settlement decreases exponentially. When the strength of soil reaches 2.0kPa, the settlement of pipeline tends to be consistent. The results are in agreement with the practical engineering experience and field observation data in the Gulf of Guinea and Angola. (2) both vertical and horizontal thermal buckling, buckling deformation is based on the initial geometric defects of the pipeline. The axial stress (strain) and axial force are the largest at the midpoint of pipeline. Compared with the simulation results of finite element method, the temperature difference of thermal buckling of pipeline is larger than that of finite element method. (3) in the technology of sleepers protection, the maximum difference between them is 20%. The greater the initial horizontal displacement, the lower the critical buckling load, and with the increase of the initial horizontal displacement, the influence of pipe wall thickness on the critical buckling load decreases gradually. Under the condition of the same wall thickness, the critical buckling load of the pipe decreases gradually with the increase of the double sleeper spacing. (4) the ARVM model can realize the quantitative calculation of the slope stability state. The accuracy of the predicted results is also different, and it is necessary to carry out pilot calculation to determine the optimal super-parameter value. The flow environment of the block at the head of the concrete interlocking row is the most complex, and the dynamic pressure of the reverse water flow is the largest, so it is easy to be raised. The edge discharge should increase the thickness or increase the streamline design to reduce the impact of water flow. (5) combined with engineering examples, the practical methods of pipeline internal and external inspection are described in detail, and the types of pipeline damage are classified according to the results of pipeline monitoring. The classification method of pipeline damage degree based on the damage type is established, and the pipeline maintenance operation method corresponding to the damage degree is studied.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE973.92

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本文編號：2294067