多跨海底管线安全可靠性评估研究

论文摘要

海底管线是海上油田的生命线,海上油、气、水的集输、贮运,多是通过海底管线来完成,海底管线把海上油田的整个生产密切地联系起来。海底管线所处环境极其恶劣,其破损将造成开采工作停滞、环境污染,经济损失巨大。因此,海底管线的研究引起了国内外学者的高度重视。本文研究海底管线出现多跨后的可靠性问题。管跨的出现改变了海底管线在管跨段所承受的载荷形式和应力状态,出现多跨时,边界条件更加复杂。海底管跨承受各类环境载荷,其中波、流引起的水动力载荷最为重要。当海水流经管跨时,波、流产生交替作用于管跨上的举升力和拖曳力,产生交变力。管跨的疲劳振动和涡激共振是引发管跨段发生失效的主要因素,也是进行管跨可靠性设计、可靠性评估工作所要解决的主要问题。本文以海底管道悬跨段为研究对象,分析了海底管道悬跨段的形成机理及涡激振动的机理,界定了多跨管的范围;建立了海底管跨在波浪力和海流力作用下悬跨段振动微分方程,并在此基础上将MatteoLuca尾流振子模型与海流力作用下海底管道悬跨段的振动微分方程相结合,得到管道与海流体的耦合振动方程,多跨管线边界条件是弹性嵌固约束;依据DNV-RP-F105（2006）,研究了海底管跨疲劳可靠性的评估方法;根据Miner线性疲劳损伤累积理论,利用S-N曲线法结合可靠性分析理论,预测悬跨在海流力和波浪力作用下的疲劳寿命,这通过两个方法获得振动响应:（1）考虑非线性力和涡激振动,利用精细积分法迭代求解得到管跨振动响应。（2）忽略海流与管道的相互作用,利用频域法分析得到管跨振动的响应谱。本文最后编制了管跨安全可靠性评估系统,算例的数值计算结果表明:土壤弹性系数和管道端部的刚性系数越大则疲劳寿命越长,多跨海底管线的疲劳寿命少于单跨的疲劳寿命,且时域分析评估的疲劳寿命远小于频域分析所评估的疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 海底管道疲劳可靠性分析基础理论
• 2.1 概述
• 2.2 海底管线管跨段的形成
• 2.3 海底管线管跨段的形成类型
• 2.4 管跨段的涡旋形成机理及其对管跨段的作用
• 2.4.1 海流在管跨段的涡旋形成机理和基本特点
• 2.4.2 海流流经管跨段形成的涡旋作用
• 2.5 海底管道疲劳寿命分析方法
• 2.6 多跨管线的界定
• 2.7 本章小结
• 第三章 海底管跨建模
• 3.1 概述
• 3.2 疲劳环境分析
• 3.2.1 海流疲劳环境分析
• 3.2.2 海流环境载荷分析
• 3.2.3 波浪疲劳环境分析
• 3.2.4 波浪环境载荷分析
• 3.2.5 默认坐标系
• 3.3 海流力作用下管道的动力响应分析
• 3.3.1 建立模型
• 3.3.2 管道横向振动动力响应分析
• 3.4 波浪力作用下管道的动力响应分析
• 3.4.1 建立模型
• 3.4.2 管道水平振动动力响应分析
• 3.4.3 悬跨垂直振动动力响应分析
• 3.5 管跨边界约束
• t'>3.5.1 土壤弹性系数k_t
• r'>3.5.2 管道端部的刚性系数k_r
• 3.6 本章小结
• 第四章 海底管线疲劳寿命的DNV评估方法
• 4.1 疲劳检验准则
• 4.2 管道振动固有频率
• 4.3 疲劳破坏评价判据
• 4.4 管道疲劳寿命预测
• 4.4.1 悬跨同向振动疲劳寿命
• 4.4.2 悬跨横向振动疲劳寿命
• 4.5 疲劳可靠度计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 海底管线疲劳可靠性分析的理论方法
• 5.1 评估原则
• 5.2 时域方法
• 5.2.1 精细时程积分法
• 5.2.2 动力方程的求解步骤
• 5.2.3 评估方法
• 5.3 频域方法
• 5.3.1 横向振动方程的建立
• 5.3.2 横向波浪力载荷谱的确定
• 5.3.3 谱分析方法求解
• 5.3.4 管线疲劳破坏评估
• 5.4 本章小结
• 第六章 管跨安全可靠性评估程序集成
• 6.1 总界面
• 6.2 管跨振动响应的安全可靠性评估
• 6.2.1 评估流程
• 6.2.2 评估程序
• 6.3 管跨振动疲劳失效的初步评估
• 6.3.1 评估流程
• 6.3.2 评估程序
• 6.4 DNV方法
• 6.5 外接实用程序
• 6.5.1 海底管道设计辅助评价系统
• 6.5.2 波浪统计程序
• 6.5.3 事故树程序
• 6.5.4 蒙特卡罗模拟计算可靠度
• 6.5.5 灰色马尔可夫预测系统
• 6.5.6 管跨土壤的模糊性描述
• 6.6 算例分析
• 6.6.1 管线悬跨计算实例
• 6.6.2 计算结果分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢