在役海底管道安全评估

论文摘要

随着海洋油气开采与运输事业的不断发展,作为目前最主要的油气输送工具,海底管道系统发挥着越来越重要的作用。由于海底管道处在恶劣的海洋环境中,承受着各种环境因素的影响,管道能否在营运期间安全运行引起了人们的广泛关注,因此对在役海底管道进行安全评估显得具有很强的现实意义。本文对海底管道安全评估工作的几个方面分别进行了研究。具体工作内容如下:1.研究了DNV OS F101中基于极限状态设计的海底管道可靠性设计方法以及分项系数法的基本原理,总结了用荷载抗力系数设计法（LRFD）进行管道结构强度设计的基本过程,并与基于工作应力（ASD）的CCS《海底管道系统规范》设计方法进行了比较。2.分析了海底管道悬跨段涡激振动形成机理及其特点。以悬跨振动控制方程,求解其固有频率。然后分别从静态和动态角度,以不同的标准推导出海底管道的允许悬跨长度。并将这些不同的方法与标准加以比较说明。3.基于现有的腐蚀海底管道爆破试验数据,选取国际上通用的ASME-B31G、DNV-RP-F101和PCORRC方法等评估腐蚀海底管道剩余强度方法,在失效压力计算公式、安全准则和失效标准等方面进行了对比分析。4.针对常用方法的保守性,以结构在全塑性状态时的参考应力的定义为基础,提出了确定腐蚀海底管道的极限载荷的参考应力法。应用ABAQUS有限元软件,进行了一系列含有不同腐蚀缺陷尺寸的有限元模型非线性分析。通过监测最小截面上的von Mises应力Oσlocal,确定了σlocal与施加的压力之间的关系。基于这种关系,提出了一种简单而又准确的确定腐蚀管道剩余强度的新方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 课题的国内外研究现状
• 1.2.1 海底管道的失效原因研究
• 1.2.2 海底管道的设计方法研究现状
• 1.2.3 悬跨海底管道分析研究现状
• 1.2.4 腐蚀海底管道剩余强度研究现状
• 1.3 课题的研究内容
• 第2章 海底管道的可靠性设计方法研究
• 2.1 概述
• 2.2 荷载抗力系数法
• 2.2.1 极限状态的分类
• 2.2.2 分项安全系数设计方法的基本原理
• 2.2.3 极限状态的具体形式
• 2.3 荷载抗力系数法的设计基础
• 2.4 管道的结构强度设计与校核
• 2.4.1 屈服强度设计与校核
• 2.4.2 屈曲强度设计与校核
• 2.5 基于DNV设计规范的海底管道结构强度校核实例
• 2.5.1 管道基本数据与工况
• 2.5.2 屈服强度校核
• 2.5.3 屈曲强度校核
• 2.6 本章小结
• 第3章 悬跨海底管道分析设计研究
• 3.1 概述
• 3.2 海底管道悬跨形成的原因以及类型
• 3.3 悬跨管道的振动分析
• 3.3.1 模型及控制方程
• 3.3.2 固有频率与振型函数
• 3.3.3 轴向力的影响
• 3.4 海底管道悬跨段漩涡发放与涡激振动
• 3.4.1 漩涡发放现象的形成机理
• 3.4.2 涡流对悬跨的作用
• 3.4.3 悬跨管道的涡激共振（vortex-induced vibration）
• 3.4.4 描述悬跨振动的基本参数
• 3.4.5 同向振动与横向振动
• 3.5 海底管道允许悬跨长度的确定
• 3.5.1 从静态角度出发计算海底管道允许悬跨长度
• 3.5.2 从避免发生涡激共振角度出发确定海底管道允许悬跨长度
• 3.6 海底管道允许悬跨长度算例
• 3.7 本章小结
• 第4章 腐蚀海底管道剩余强度评估方法对比研究
• 4.1 概述
• 4.2 海底管道的腐蚀
• 4.3 腐蚀管道评估的工程方法
• 4.3.1 ASME-B31G标准
• 4.3.2 修正的ASME-B31G标准
• 4.3.3 DNV RP-F101标准
• 4.3.4 PCORRC方法
• 4.4 几种方法的应用比较与讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于参考应力法的腐蚀海底管道剩余强度评估
• 5.1 概述
• 5.2 极限载荷及其确定方法
• 5.2.1 确定极限载荷的增量弹塑性有限元方法
• 5.2.2 确定极限载荷常用的工程方法
• 5.2.3 确定极限载荷的参考应力法
• 5.3 海底管道腐蚀缺陷处应力表达式的确立
• 5.4 ABAQUS软件简介
• 5.5 力学模型影响因素及其简化
• 5.6 有限元模型的建立
• 5.7 有限元模型的加载及结果分析
• 5.8 应力表达式有效性的验证与应用
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢