含腐蚀及椭圆度缺陷管道的动态屈曲传播研究

通过建立有限元模型对海底管道的真实工况进行数值模拟,计算准静态条件下的管道压溃压力以及屈曲传播压力,并与管道全尺寸试验结果以及DNV-OS-F101规范中的计算结果进行对比,验证模型的准确性;在有限元模型中利用数据传递的方法将准静态条件下管道局部压溃的受力状态传递到动态模型中,并对管道在动态条件下的变形特点进行探究;研究管道腐蚀深度、初始椭圆度以及加载的传播压力对屈曲剖面长度、屈曲传播速度和反向椭圆度等管道动态屈曲传播特征值的影响。研究结果表明:在加载压力较小时,管道屈曲剖面长度随压力增大而减小;管道屈曲传播速度随着压力和初始缺陷的增大而加快;管道反向椭圆度的出现会阻碍屈曲沿管道轴线的传播,管道反向椭圆度随压力增大而增大。     

深水海底管道全尺寸压溃试验及数值模拟

针对深水海底管道压溃问题,研制了深水海底管道屈曲试验装置,该装置可承受水压43MPa,全长11．5m,直径1．6m．使用该装置设计并开展了全尺寸管道压溃试验．利用ANSYS软件建立三维圆柱壳模型进行管道压渍数值模拟分析,并将试验结果与数值模拟结果进行对比,来研究径厚比、初始凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等因素对管道压溃的影响．结果表明,管道压溃载荷随着径厚比的增大而显著降低,单个点状凹坑缺陷对于管道压溃载荷影响较小,初始椭圆度缺陷则明显降低了管道的压溃载荷．     

海底椭圆管道在扭矩和水压作用下的屈曲压溃研究

在实际工程中海底管道往往具有一定的椭圆度,椭圆管道受到扭矩作用会影响其极限承载力.对于服役前受到扭矩作用的等壁厚椭圆管道,通过理论推导得到了其在弹性阶段的位移方程,并建立数值模型对理论方法进行了验证.利用有限元中的弧长法对椭圆管道在服役中的塑性屈曲压溃进行了数值模拟,研究了壁厚、一致椭圆度、外径等敏感性因素对其压溃压力的影响.同时分析了椭圆管道在服役过程中受到扭矩作用后的屈曲压溃特性.结果表明,尺寸参数及扭矩加载路径会对管道极限承载力产生明显影响,分析结果可为实际工程应用提供参考.     

海底管道屈曲传播中管壁与扣入式止屈器非线性接触问题研究

运用二维环模型模拟管道,采用非线性离散弹簧模型模拟了管道外壁与扣入式止屈器内壁之间的接触.建立了其结构的弹塑性本构关系,构建了海底管道二维屈曲接触力学模型,研究分析了海底管道在屈曲和管壁接触过程中的承载力、结构变形以及截面应力分布等的变化规律.为了验证该理论分析方法的准确性,将理论分析结果与ABAQUS软件的模拟结果进行了对比,结果吻合良好;最后,将理论计算得到的屈曲压溃压力和屈曲传播压力分别与ABAQUS软件模拟结果及全比例管道屈曲试验进行了对比,证明了该理论方法的可靠性.该理论研究为进一步研究管道的屈曲传播力学机制和止屈技术奠定了基础.     

复杂载荷条件下有缺陷海底管道非线性屈曲分析

针对有初始缺陷海底管道在弯曲、轴力和外部静水压力联合作用下的复杂载荷屈曲压溃问题,建立管道的屈曲压溃理论模型,研究中考虑管道变形的几何非线性和材料非线性,运用结构弹塑性本构关系,基于虚功原理建立管道屈曲压溃方程;运用MATLAB编程进行数值计算,分别研究分析弯曲、轴力和外部静水压力单独作用,以及3种载荷联合作用的管道压溃压力。研究结果表明:复杂载荷条件下的有缺陷管道,尤其是当轴力和曲率比较大时,各因素对管道屈曲压溃压力影响的非线性特征逐渐明显;多种载荷的联合作用与单一载荷对屈曲压溃压力的影响是不一致的。研究结果可为实际工程中海底管道临界屈曲载荷的确定、危险位置的辨识、设计中的结构参数优化以及施工中的屈曲控制提供理论依据,从而保障海洋油气输送安全。     

双层海底管道隆起屈曲参数分析

海底管道在铺设安装过程中可能因为操作不当,使得管道在海底时存在局部的初始隆起.管道初始局部缺陷是诱发海底管道产生屈曲的潜在因素.管道轴向压力是导致海底管道发生屈曲的主要原因.当海底管道在高温载荷下工作时,管道将会由于温度变化引起轴向力的增大而发生隆起屈曲.对于双层管道来说,内管与外管之间的相互作用是非常复杂的,双层管的复杂结构导致其整体屈曲理论分析十分困难,因此提出了一种有限元模型,该模型利用管中管技术分析具有初始缺陷管道的隆起屈曲问题.基于该模型开展了参数分析,得到了管道初始不直度和环隙对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势.同时这些计算结果对我国实际工程项目中的双层管隆起屈曲分析具有一定的参考价值.     

海底管道在弯矩和水压作用下的屈曲压溃研究

针对含初始椭圆度缺陷的海底管道在弯矩和水压联合作用下的屈曲破坏问题,基于薄壁假定,选择能够描述管道应变和曲率随位移变化的几何方程,采用流动理论建立应力增量与应变增量之间的关系,采用三角级数对位移函数进行离散,列出管道的初始椭圆度缺陷的形式,最终基于虚功原理建立了复杂载荷作用下管道的理论模型.通过控制轴向曲率和外部水压的增量及加载顺序,在MATLAB中对由虚功原理推导出的非线性方程组进行数值求解,从而得到管道在不同加载路径下的极限承载力.同时运用有限元计算软件,在合理控制了刚体位移和边界条件的基础上实现对弯矩和水压载荷的分步加载,得到了弯矩和水压联合作用下的管道有限元模型,计算管道的承载性能并与理论模型进行对比,验证了理论模型的准确性.之后,以管道缺陷截面在压溃瞬间的椭圆度为计算指标,采用有限元方法分别计算不同加载路径下的管道破坏形式,从而对弯矩和水压联合作用下的管道压溃破坏机理进行探究.研究结果表明:弯矩载荷对管道承压能力的削弱作用主要体现在弯矩对Mises应力和截面椭圆度的增大两个方面,在弯矩载荷较小时,椭圆度的影响起主要作用;外压—弯矩加载路径下管道的承载性能较低的原因是缺陷截面在压溃瞬间的椭圆度较弯矩—外压加载路径大.     

深海管道在冲击载荷作用下的局部屈曲特性研究

水下落物撞击是海底管道的主要事故形式之一,而深水环境下的落物撞击是高静水压联合落物冲击载荷作用下的结构响应过程.采用LS-DYNA有限元软件建立了管道、海床数值模型,模拟外界水压和冲击载荷联合作用下结构动态响应过程,并通过全尺寸落物撞击实验结果验证了模型方法的可靠性.利用验证的模型方法,研究了外界水压对管道碰撞损伤及屈曲失稳的影响.研究表明:落物撞击主要对管道结构的初始稳定性造成影响,静水压力的附加做功加剧了管道的局部塑性变形.同时,随着外界水压增大,碰撞初始阶段的塑性变形越大,甚至在高静水压作用下发生即刻的屈曲失稳破坏.研究结果对复杂动力载荷作用下深海管道结构安全评估具有一定的参考价值.     

扭矩与外压联合作用下海底管道的屈曲研究

针对海底管道在铺设和服役期间受到扭矩与外压联合作用发生屈曲的问题,进行缩比尺管道实验和有限元建模分析,对管道的变形和压溃规律进行研究．以缩尺比管道实验为基础,利用ABAQUS有限元软件,对实验管件在扭矩与外压联合作用下的压溃破坏进行模拟,并与实验结果进行对比,验证模型的可靠性．基于有限元分析,研究了扭矩和外压联合作用下管道的截面变形和承载极限．研究结果表明,管道受扭矩作用时,管道截面椭圆度与扭矩是近似指数相关,扭矩较小时,截面无明显变形;当扭矩接近扭矩承载极限时,椭圆度剧增.管道受扭矩和外压联合作用时外压对管道变形影响更大,管道的破坏以压溃屈曲为主,截面为“哑铃状”．管道椭圆度缺陷越大,外压承载极限越小;管道承受的扭矩载荷越大外压承载极限越小;得到了扭矩与外压承载极限的无量纲关系曲线,此关系不受椭圆度影响,扭矩越大外压承载极限的下降速率越大;建议海底管道设计扭矩不超过扭矩承载极限值的70%,以提升管道在扭矩与外压联合作用下的安全性．P-T路径比T-P路径更危险,载荷路径引起的管道承载极限差异在10%以内,椭圆度会降低载荷路径的影响差异．     

逆断层作用下埋地管道局部屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道的局部压溃和起皱行为,以黄土地层埋地管道为例,建立了管土耦合数值计算模型,分析了逆断层作用下埋地管道的变形及局部屈曲过程,研究了内压、径厚比及地层位错量对管道局部屈曲模式的影响规律。结果表明,随着地层位错量增大,断层面两侧管道出现应力集中,并逐渐演化为局部屈曲,埋地管道变形曲线由S形变为Z形,断层面两侧的管道变形并非呈对称或反对称分布,上盘区的管道屈曲现象较下盘区更为严重;地层位错量大于3倍管径时,管道轴向应变迅速增大;无压管道和低压管道的局部屈曲模式为压溃,而随着内压的增大,管壁屈曲模式由压溃变为起皱,且管道起皱幅度随着内压的增大而增大;上盘区管段屈曲部位与断层面之间距离受内压、径厚比影响较小,而压溃模式下下盘区屈曲部位与断层面之间的距离随着内压的增大而减小,起皱模式下二者之间的距离随着内压的增大而增大;不同地层位错量作用下,管道最大轴向应变随径厚比的变化呈现出不同变化规律。     

铝合金型材的冲击压溃载荷特性研究

为了确定Riera公式中的压溃载荷,基于材料实验机和霍普金森压杆实验系统,对铝合金型材在轴向准静态和不同速度冲击加载作用下的静、动态压溃行为进行了研究,得到了多种尺寸和形状规格型材在静、动态压溃过程的载荷时间曲线,以及峰值压溃载荷和平均压溃载荷随冲击速度的变化规律.分析结果表明,Riera公式中的压溃载荷采用平均压溃力是较好的选择,铝合金型的动、静态压溃力的差异来自结构的横向惯性效应.通过量纲分析,在进一步整理实验数据的基础上得到了适用于准静态和冲击加载作用的铝合金型材统一的平均压溃力经验公式.     

含球面凹坑缺陷压力管道的高温蠕变应力分析

通过大型有限元分析软件ABAQUS对在蠕变条件下运行、受内压作用含凹坑缺陷管道进行有限元数值模拟,获得蠕变应力重分布的变化过程.结果表明:含局部凹坑缺陷管道,由于受结构不连续和高温条件的影响,导致应力水平提高,降低了管道的承载能力.同时,在高温环境下,应力最大位置和应力集中系数最大位置可能会随蠕变时间的延长而改变.     

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤，建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型，结合海底管道实际工作条件的变化范围，分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律，将6个参数作为输入层参数，以管道损伤作为输出参数，将数值模拟结果作为训练样本，通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明：坠物撞击能量越大，管道损伤越大，管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓；管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加，管道损伤减小；饱和黏土海床不排水抗剪强度越大，管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型，仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数，模型简单、便捷，能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤，数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件，具有很好的适用性，为海底管道损伤预测提供了新思路。     

含初始缺陷管中管侧向屈曲过程中的动态效应研究

随着海洋油气开采深度的逐渐增加,深海石油管道在高温高压运输过程中会存在整体热屈曲现象,而热屈曲的过程中可能会存在动力效应.管中管广泛应用于深海油气输送结构,但是相关整体屈曲试验及动力效应研究很少.本文以初始缺陷波长及幅值作为变参数,对含有初始缺陷的双层管道的试验方法进行了详细介绍,并通过3组试验,对整体热屈曲试验过程中产生的动力效应现象及原因进行了分析,发现初始缺陷波长对整体屈曲过程中的动态效应起到关键作用.基于此,采用ABAQUS隐士动力分析方法建立了双层管道整体屈曲有限元分析模型,并与试验结果进行了对比,验证了模型的准确性.进而分析了管道直径大小、初始缺陷长度以及管土作用对管道屈曲过程中动态效应的产生及影响变化规律,发现了各个因素与管道中点屈曲临界力、侧向弹出速度、侧向位移以及整体动能之间的关系,通过对比分析,找到了径厚比最佳临界点以及缺陷波长与管道长度比值的临界控制点,发现管土作用对整体屈曲动态效应有显著影响,并对产生机理进行了分析,研究成果对深海油气输送双层管道结构的设计及铺设有一定的指导意义.     

孤立波作用下埋管斜坡海床及海底管道的响应分析

通过建立孤立波-斜坡海床-海底管道耦合模型,研究在孤立波作用下近岸浅水区域埋管周围斜坡海床土体的孔隙水压力响应和海底管道的受力及位移.采用考虑k-ε湍流的Navier-Stokes方程模拟孤立波在海底斜坡上的破碎、爬升及回落过程,并且通过计算获得斜坡表面波压力;基于Biot固结方程,建立波压力作用下的斜坡模型;基于线弹性理论,利用偏微分方程建立海底管道模型;计算分析埋管海床土体的孔压响应特征及管道的受力与变形;通过与文献试验数据和解析解的对比,验证了该分析方法与模型的准确性;利用验证后的数值模型,计算在孤立波作用下斜坡海床埋置管道周围土体的孔隙水压力响应、纵向有效应力响应、管道的纵向受力及位移.数值模拟结果表明:在孤立波回落阶段,埋置于斜坡海岸线附近的管道周围土体孔压下降明显,管道出现较大上浮,相较于水平海床和斜坡坡脚,此处管道的受力和位移情况最为不利.另外,管道埋深、土体参数,以及波浪的破碎、爬升及回落过程都对计算结果有着重要的影响.     

含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟

针对几种常见的缺陷形式,利用有限元软件进行屈曲稳定性分析,并对海底管道整体腐蚀和局部腐蚀两类缺陷进行了仿真计算,拟合得到了较为简单的含缺陷海底管道临界载荷的近似计算公式,可供工程设计人员进行相关设计和评估时参考使用,同时也为制定新的含缺陷海底管道屈曲稳定性设计规范提供了参考依据．     

天然气管道拘束焊缝复合加载条件下的抗裂性研究

天然气管道在服役过程中,常受到复杂的外部载荷,在金口焊缝处易发生泄露或开裂。针对天然气管道金口焊缝拘束状态,设计了一套自拘束焊接装置,模拟了金口焊缝的拘束状态;并通过复合加载试验及应力应变检测,探讨了全尺寸管道拘束焊缝在复合加载条件下的抗裂敏感性。试验结果表明:拘束焊缝管道无论在内压+静态弯曲复合加载,还是在内压+冲击弯曲复合加载条件下,其抗开裂性均比无拘束焊缝管道差,缺陷开裂敏感性高。含缺陷管道对外部冲击载荷更为敏感,外部动载更易造成含缺陷管道开裂。在复合加载过程中,拘束焊缝管道缺陷尖端的最大应变值小于无拘束焊缝管道缺陷尖端的应变,无拘束焊缝可承受更大的塑性变形。含缺陷管道对弯曲加载速率较为敏感,弯曲加载速率增大,缺陷更易开裂。     

含内部随机点蚀的2D圆环管道模型屈曲研究

通过建立有限元模型分析了内部随机点蚀对外压作用下2D圆环屈曲压力的影响.由于管道内部多相流侵蚀-腐蚀的影响,管道极易在6点钟方向产生内部沟槽腐蚀和点腐蚀,进而导致管道损坏失效.内部腐蚀是造成深海管道损坏失效的重要因素,针对内部随机点蚀对管道屈曲压力影响的问题,将用户自定义的Python程序嵌入Abaqus有限元数值模拟软件进行研究.把管道简化为2D圆环模型,利用Python程序中均匀分布随机数生成器,建立多个随机点蚀圆片模型;根据内部随机点蚀的特点,采用随机数发生器得到在2D圆环内表面3点钟到9点钟方向随机分布的点蚀坐标;在整体坐标系下完成模型装配后,运用Abaqus软件中的布尔切割运算功能建立了含内部随机点蚀的2D圆环有限元模型.使用上述模型研究了外压作用下内部随机点蚀对圆环屈曲压力的影响,模型校准后基于该2D圆环模型开展了参数敏感性分析,研究结果表明椭圆度、径厚比和腐蚀比是影响2D圆环屈曲压力折减系数的主要因素.基于多参数非线性回归分析,建立了椭圆度、径厚比和腐蚀比3个参数对外压作用下含内部随机点蚀2D圆环屈曲压力折减的经验公式.研究结果可为内部随机点蚀作用下的海底管道的极限强度评估和剩余寿命分析提供参考.     

波浪腹板H型钢梁翼缘局部稳定性研究

依据波浪腹板H型钢梁受压翼缘的局部屈曲特性,同时参考平腹板钢梁受压翼缘局部屈曲的研究方式,运用瑞利-里兹法推导了波浪腹板翼缘局部稳定临界荷载表达式.提出了研究波浪腹板H型钢梁受压翼缘局部屈曲的理论计算模型,此模型将受压翼缘简化为两加载边简支,与波浪腹板相连的非加载边简支,而另一非加载边自由的单向均匀受压板.由ANSYS模拟分析得到了波浪腹板H型钢梁受压翼缘的屈曲模态.对比理论推导表达式计算结果与ANSYS有限元分析结果,发现两者吻合度高,验证了所提表达式的准确有效.同时探讨了翼缘和腹板参数尺寸的变化对翼缘局部稳定临界荷载的影响.     

应急抛锚状态下拖锚对海管的撞击损伤

为了分析拖锚对海底管道的撞击损伤情况,运用ABAQUS软件,对应急抛锚情况下拖锚与海底管道进行建模。选取最危险的锚尖与管道正撞情况进行了数值模拟,根据碰撞后管壁的凹痕深度与管道外径的比值,对海底管道进行安全校核;同时选取了不同管壁厚度和管道长度进行了计算比较,得出了拖锚撞击损伤程度随海底管道的壁厚和管道长细比的增加而减小。最后将DNV规范计算结果与有限元数值模拟结果进行对比,发现规范计算值明显偏大。研究成果对分析海底管道受拖锚撞击损伤的变形规律、海底管道的设计及修复具有一定的实用意义。