腐蚀管道在复杂荷载作用下的数值仿真研究

论文摘要

腐蚀是金属管道破坏的主要因素之一。管道腐蚀后,局部甚至整体变薄,极限承载力降低,容易发生破坏。准确评估腐蚀管道剩余强度是保证管道安全运行的前提,也是对既有管道是否需要更换进行决断的依据。管道不仅受到内压作用,还受到自身重力(管材重量、保护层重量、内部输送介质重量、海底裸露管道的海生物附着重量)和周围土体的支撑作用、输送介质的温度引起的轴向力、地质塌陷、滑坡、地震波动效应、断层错动引起的轴向力和弯矩、重物作用引起的冲击荷载、海底悬跨管道在波浪和海流作用下产生的拖曳力和升力等。除深水海底管道要特别研究外水压力引起腐蚀管道局部塌陷和屈曲失效外,其它环境荷载作用下管道的受力模型都可以描述为受到内压、轴向力和弯矩三种荷载中的一种或多种组合作用的情况。目前,有关腐蚀管道的研究大多只考虑了内压荷载单一作用的影响。而对于复杂荷载联合作用下的腐蚀管道破坏机理以及剩余极限承载力缺乏统一的分析理论和评价方法。针对这种情况,本文采用数值仿真的研究手段,以胜利油田已铺设的海底管线为背景,考虑材料非线性和几何非线性,建立了腐蚀管道在复杂荷载作用下的三维有限元分析模型。通过与他人研究成果的对比,验证了本文提出的数值分析模型的适应性。开展了腐蚀管道在内压和弯矩联合作用下、以及轴力和弯矩联合作用下的数值分析。分别研究了两种加载方式的不同加载顺序对管道极限承载力的影响,并分析了腐蚀深度、腐蚀宽度、腐蚀长度等腐蚀参数,径厚比等几何参数对腐蚀管道极限承载力和失效模式的影响。着重研究了腐蚀管道在内压、轴力、弯矩联合作用下,三种荷载的不同加载顺序对于管道极限承载力的影响。通过计算,得到腐蚀管道极限承载力曲面。研究表明,复杂荷载作用下的腐蚀管道,加载顺序对于其极限承载力和失效模式有显著影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 内压荷载作用下腐蚀管道的破坏机理和极限承载力研究
• 1.2.2 复杂荷载作用下腐蚀管道破坏机理研究
• 1.2.3 多个腐蚀缺陷管道破坏机理
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 有限元模型建立及验证
• 2.1 引言
• 2.2 模型建立
• 2.2.1 腐蚀管道有限元模型
• 2.2.2 本构关系
• 2.2.3 失效准则
• 2.2.4 约束方式
• 2.2.5 弯矩施加方法
• 2.2.6 计算工况定义方式
• 2.3 模型验证
• 2.3.1 内压荷载作用
• 2.3.2 内压和弯矩荷载联合作用
• 2.3.3 内压和轴力荷载联合作用
• 2.4 小结
• 3 两种荷载联合作用下腐蚀管道破坏机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 有限元分析模型
• 3.3 内压和弯矩荷载联合作用
• 3.3.1 加载顺序对腐蚀管道极限承载力的影响
• 3.3.2 腐蚀参数的影响
• 3.3.3 径厚比对极限承载力的影响
• 3.4 内压和轴力联合作用
• 3.4.1 加载顺序对腐蚀管道极限承载力的影响
• 3.4.2 腐蚀参数的影响
• 3.4.3 径厚比对极限承载力的影响
• 3.5 小结
• 3.5.1 内压和弯矩联合作用
• 3.5.2 内压和轴力联合作用
• 4 腐蚀管道在复杂荷载作用下的极限承载力研究
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析模型
• 4.3 计算工况
• 4.4 加载方式
• 4.5 极限承载力曲面分析
• 4.5.1 组合一结果分析
• 4.5.2 组合二结果分析
• 4.5.3 组合三结果分析
• 4.6 加载顺序的影响研究
• 4.6.1 弯矩、轴力相互作用
• 4.6.2 弯矩、内压相互作用
• 4.6.3 轴力、内压相互作用
• 4.6.4 加载顺序比较
• 4.7 破坏模式
• 4.7.1 组合一
• 4.7.2 组合二
• 4.7.3 组合三
• 4.8 小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢