本文關(guān)鍵詞： 非粘結(jié)柔性管 極限承載力 受限壓潰 爆破內(nèi)壓　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著能源需求不斷增加,油氣資源的開采逐漸從陸地和淺海向深海進(jìn)軍,海洋立管與海底管道作為其中重要的工程裝備面臨著更多挑戰(zhàn)。由于自身結(jié)構(gòu)和材料特點,非粘結(jié)柔性管(注:后文均簡稱為非粘管)有著較強(qiáng)的抗拉、抗內(nèi)外壓承載力以及較小的抗彎剛度,相比于傳統(tǒng)鋼管有更優(yōu)良的彎曲順應(yīng)性和耐腐蝕性,成為深海油氣管線很好的選擇。而在環(huán)境條件復(fù)雜多變的深水或超深水中,控制超過非粘管自身極限承載能力的失效模式是非常重要的,一旦失效發(fā)生可能引發(fā)一系列工程事故,造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染,因此需要對非粘管極限承載能力進(jìn)行深入研究,以便后續(xù)有效地指導(dǎo)非粘管設(shè)計。本文主要研究的是內(nèi)外壓力載荷下非粘管的截面力學(xué)性能,包括非粘管在外壓下的壓潰破壞及內(nèi)壓下的爆破失效。對于壓潰破壞,重點研究外護(hù)套破損后外部壓力作用在非粘管內(nèi)護(hù)套外壁時的濕壓潰模式,本文將該問題簡化為非粘管內(nèi)層的受限屈曲問題;對內(nèi)壓爆破,采用了原型截面的三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬,研究影響非粘管爆破壓力的因素。具體來說,本文的研究內(nèi)容主要包括:(1)受彈性限制的圓管外壓屈曲理論研究。分析總結(jié)了圓管在外壓下的屈曲理論,使用彈簧約束模擬外層限制,利用勢能原理推導(dǎo)了受彈性限制的圓管屈曲理論公式。(2)雙層彈性非粘管受限內(nèi)層壓潰數(shù)值研究。采用通用有限元程序ABAQUS,建立二維平面模型,使用弧長法研究內(nèi)外層彎曲剛度比、內(nèi)層徑厚比對內(nèi)層受限壓潰的影響,總結(jié)了受限內(nèi)層的失穩(wěn)模態(tài),并基于數(shù)值分析結(jié)果,擬合出計算公式,與解析解進(jìn)行對比;建立三維內(nèi)層螺旋纏繞結(jié)構(gòu)模型,計入缺陷影響,使用動態(tài)隱式算法研究內(nèi)外層彎曲剛度比、內(nèi)層徑厚比對螺旋內(nèi)層受限壓潰的影響,總結(jié)了受限螺旋內(nèi)層的失穩(wěn)模態(tài),提出設(shè)計公式。(3)彈性非粘管受限內(nèi)層壓潰參數(shù)分析。采用二維平面模型動態(tài)隱式算法,分別研究層間摩擦力、內(nèi)層不圓度、層間間隙、內(nèi)層不均勻厚度對內(nèi)層壓潰承載力的影響;在雙層平面模型中加入中間層模擬骨架層與鎧裝層之間的內(nèi)護(hù)套,研究內(nèi)護(hù)套對受限壓潰的影響。(4)雙層非粘管受限彈塑性內(nèi)層壓潰數(shù)值研究。內(nèi)層材料分別采用理想彈塑性和雙線性硬化模型,研究了內(nèi)層材料屈服強(qiáng)度以及硬化率對受限內(nèi)管的壓潰承載力影響,結(jié)合彈性非粘管受限壓潰公式擬合彈塑性受限壓潰公式。(5)非粘管壓潰實驗研究。采用兩種鋼帶纏繞非粘管進(jìn)行外護(hù)套完整的整體外壓壓潰試驗和外護(hù)套破損的受限內(nèi)管壓潰試驗。并將結(jié)果與有限元分析、計算公式進(jìn)行對比,驗證計算公式的正確性。(6)內(nèi)壓下非粘管爆破壓力研究。采用考慮材料非線性的理論方法與精細(xì)化ABAQUS有限元模型結(jié)果進(jìn)行對比,同時分析拉伸對爆破壓力的影響。
[Abstract]:With the increasing demand for energy, the exploitation of oil and gas resources gradually advances from land and shallow sea to the deep sea. As one of the important engineering equipment, marine riser and submarine pipeline are facing more challenges. Due to their own structure and material characteristics, non-bonded flexible pipe (note: referred to as non-adhesive pipe) has a strong tensile resistance. Compared with the traditional steel pipe, the internal and external compressive capacity and the small bending stiffness have better bending compliance and corrosion resistance. It is very important to control the failure mode beyond the limit load capacity of non-viscous pipe in deep water or ultra-deep water with complex and changeable environmental conditions. Once failure occurs, it may lead to a series of engineering accidents, resulting in incalculable economic losses and environmental pollution. Therefore, it is necessary to study the ultimate bearing capacity of non-adhesive pipes. In order to guide the design of non-stick pipe effectively, this paper mainly studies the cross-section mechanical properties of non-stick pipe under internal and external pressure. Including the failure of non-stick pipe under external pressure and the failure of blasting under internal pressure. For crushing failure, emphasis is placed on the wet crushing mode of the external pressure acting on the outer wall of the non-viscous pipe after the damage of the outer sheath. In this paper, the problem is simplified as a constrained buckling problem of the inner layer of a non-viscous pipe. For the internal pressure blasting, the three-dimensional model of the prototype section is used to simulate the factors that affect the blasting pressure of the non-stick pipe. Specifically, the factors affecting the pressure of the non-viscous tube blasting are studied. The research contents of this paper mainly include: (1) the elastic buckling theory of circular pipe under external pressure is analyzed and summarized, and the spring constraint is used to simulate the outer limit. By using the potential energy principle, the elastic buckling theory formula of circular pipe is derived. The numerical study of double layer elastic non-viscous pipe is studied. The general finite element program Abaqus is used to establish a two-dimensional plane model. The influence of the ratio of internal and external bending stiffness and the ratio of inner diameter to thickness is studied by arc length method. The instability modes of the inner layer are summarized, and the calculation formula is fitted based on the results of numerical analysis. Compared with analytical solution; In this paper, a three-dimensional spiral winding structure model is established, which takes into account the effect of defects. The dynamic implicit algorithm is used to study the effect of the ratio of bending stiffness and the ratio of diameter to thickness of the inner layer on the confined collapse of the inner spiral layer. The unstable modes of the confined spiral inner layer are summarized, and the design formula. 3) the buckling parameter analysis of the confined inner layer of the elastic non-viscous pipe is presented. The dynamic implicit algorithm of two-dimensional plane model is used to study the friction between the layers respectively. The influence of inner layer non-roundness, interlaminar gap and inner layer non-uniform thickness on inner laminar crushing capacity; The inner sheath between the skeleton layer and the sheathed layer is added to the double-layer plane model. The effect of inner sheathing on confined buckling is studied. (4) numerical study of double layer non-viscous pipe confined elastic-plastic inner lamination. Ideal elastic-plastic model and bilinear hardening model are used for inner layer material respectively. The effect of yield strength and hardening rate of inner layer material on the crushing capacity of confined inner pipe was studied. Fitting Elastic-plastic confined burst Formula with Elastic Non-viscous Pipe confined burst Formula. 5). Two kinds of steel strip wound non-stick pipe were used to complete the whole external crushing test and the limited inner pipe crushing test of the outer sheath failure. The results were analyzed with finite element method. The formulas are compared. Verify the correctness of the formula. 6) the pressure of non-viscous pipe blasting under internal pressure. The theoretical method considering material nonlinearity is compared with the results of refined ABAQUS finite element model. At the same time, the influence of tension on blasting pressure is analyzed.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE973.92

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本文編號：1482674