高温海底管道温度应力计算与屈曲模拟研究

论文摘要

随着高温高压海底管道的普遍应用,管道屈曲问题日益突出。我国的高温高压海底管道一般采用双层管结构,而双层管温度应力计算与屈曲分析方法在国际上至今没有突破,管道抗屈曲的设计成为双层管应用的一大难题。本文针对中国海洋石油总公司海底管道的主要结构形式,对高温高压条件下海底管道的承载受力、屈曲失效和抗屈曲设计进行了深入的理论分析和数值计算,阐述了不同结构高温高压海底管道的温度应力计算与屈曲分析方法。1)就高温海底管道的温度应力计算,在概念设计阶段,本文发展了新的刚性连接双层管道系统温度应力计算解析模型。该模型考虑了沿管道系统轴向的温度梯度和压力梯度,并以第一类第二类虚宗量贝塞尔函数级数形式给出了系统轴向应力与环向应力的显式表达,精确地反映了高温双层管道系统的实际应力应变状态,并适合与海床摩擦力及管道末端膨胀弯力耦联求解。在详细设计校核阶段,本文通过定义子结构单元避免了双层管道系统热膨胀分析中相同结构刚度矩阵的重复计算,在现有的软硬件条件下将建模范围增加到整条管线,同时首次实现了膨胀弯和管道的一体模拟,消除了截取建模带来的分析误差。2)就单层海底管道的高温屈曲问题,本文重点研究了高温管道屈曲分析的有限元方法及控制管道屈曲形态释放高温轴力的预热屈曲埋设技术,就临界屈曲载荷的确定、后屈曲强度分析、预热温度的选择及屈曲初始化的影响进行了详细阐述。本文将经典理论解与有限元分析技术相结合,完整地分析出了高温管道的热屈曲过程,同时利用线性模态组合进行网格扰动模拟了真实管道的初始铺设构形,增加了屈曲分析的实际意义。3)就高温双层海底管道的屈曲,本文的研究表明,热屈曲一般从内管开始,并依管道系统的结构可能产生不同的结果,柔性连接系统更容易发生管道整体上的屈曲,因此该类系统连接环板的间距选择应当充分考虑管道的热屈曲稳定性和后屈曲强度;刚性连接系统不容易发生管道整体上的屈曲,但内管在环空中的屈曲可能向高阶模态跃迁从而带来显著的应力集中,由此需要根据后屈曲分析结果限制环形空间的间隙。本文首次研究了跨越双层管系统的垂向屈曲过程。分析结果表明,跨越构形的存在相当于管道具有了垂向的初始铺设挠度,因此双层管系统跨越段发生垂向屈曲的临界载荷低于其发生侧向屈曲的临界载荷;跨越管道段的垂向后屈曲不仅可能引发显著的应力集中,还有可能发生模态跃迁,因此需要从稳定性角度对约束沉垫组所能提供的反力及反力矩进行校核。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文选题的背景和意义
• 1.2 高温海底管道的基本设计目标
• 1.3 高温海底管道的典型失效案例
• 1.3.1 Petrobras单层高温管道破坏
• 1.3.2 Rolf A/Gorm E油气混输管道接头开裂
• 1.3.3 Erksine双层高温管道破坏
• 1.4 高温海底管道的研究现状
• 1.5 高温海底管道研究面临的主要困难
• 1.5.1 准确计算温度应力的困难
• 1.5.2 屈曲后屈曲分析的困难
• 1.5.3 抗屈曲设计的困难
• 1.6 本文获得的研究进展
• 2 高温双层海底管道系统的温度应力计算
• 2.1 双层管道系统的典型结构
• 2.2 刚性连接双层管系统温度应力计算新模型
• 2.2.1 刚性连接双层管系统的控制方程和边界条件
• 2.2.2 刚性连接双层管系统温度应力计算新模型
• 2.2.3 新模型算例
• 2.3 双层管系统温度应力计算的子结构单元法
• 2.3.1 子结构单元法的有限元方程
• 2.3.2 子结构单元法的计算验证
• 2.3.3 子结构单元分析热荷载下的双层管道系统强度
• 2.3.4 子结构单元分析组合荷载下的双层管道系统强度
• 2.4 本章小结
• 3 高温单层海底管道的屈曲研究
• 3.1 单层管道屈曲的经典理论
• 3.1.1 垂向屈曲理论
• 3.1.2 侧向屈曲理论
• 3.1.3 经典屈曲理论的价值与局限
• 3.2 高温管道屈曲分析的新方法
• 3.2.1 屈曲模态的线性扰动分析
• 3.2.2 非线性条件下的结构失稳分析
• 3.2.3 管道屈曲分析的非线性有限元方法
• 3.3 本文屈曲分析有限元方法的验证
• 3.4 铺设不直度对管道热屈曲特性的影响
• 3.5 本章小结
• 4 高温双层海底管道的屈曲研究
• 4.1 高温双层海底管道的侧向屈曲特点
• 4.2 柔性连接双层管道系统的侧向屈曲研究
• 4.2.1 柔性连接双层管道系统的屈曲分析
• 4.2.2 柔性连接双层管道系统的后屈曲分析
• 4.3 刚性连接双层管道系统的侧向屈曲研究
• 4.3.1 刚性连接双层管道系统侧向屈曲的解析分析
• 4.3.2 刚性连接双层管道系统侧向屈曲过程分析
• 4.4 高温双层海底管道的垂向屈曲研究
• 4.5 本章小结
• 5 高温管道抗屈曲设计新方法研究
• 5.1 抗屈曲设计的工程现状和研究背景
• 5.2 侧向（预）屈曲方案的研究目标和相关技术
• 5.2.1 侧向（预）屈曲解决方案的研究目标
• 5.2.2 屈曲初始化技术
• 5.3 本文获得的研究进展
• 5.4 预热屈曲埋设技术的设计新方法
• 5.4.1 屈曲初始化的影响
• 5.4.2 最小预屈曲间距的设计
• 5.4.3 预热温度的选择
• 5.4.4 预热屈曲埋设技术的应用效果分析
• 5.5 本章小结
• 主要结论与展望
• 一、本文的主要研究结论
• 二、对今后高温管道屈曲研究的展望
• 参考文献
• 附录A 定解问题求解
• 附录B 特征值屈曲预测
• 附录C 改进的Riks算法
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢