深水卷管铺设过程中管道的关键力学问题研究

作     者：王彦辉 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡志勤

授予年度：2016年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：卷管式铺管法 塑性变形 椭圆度 屈曲压力 疲劳寿命 

摘      要：随着浅海油气资源的日益枯竭,海洋油气开采逐渐由浅海向深海前进。而海底油气的运输主要依靠海底管道,因此,如何将陆地上的管道安全铺设到海底是一个具有挑战性的工作。当前,卷管式铺管法作为深海管道铺设的主要方法之一,由于铺设效率高、铺设费用低,所以在世界范围内得到广泛应用。但是,在卷管铺设过程中,管道发生数次的弯曲变形,同时使管道发生大塑性变形,卸载后管道留有很大的残余椭圆度和残余应力,进而严重降低管道的屈曲压力和疲劳寿命。因此,研究卷管铺设中管道的塑性变形过程,及其对管道的临界屈曲压力和疲劳寿命的削减程度是非常重要的。首先,利用有限元软件ABAQUS建立更加符合实际工况的卷管铺设的有限元模型,并对管道进行了卷管铺设过程的动态仿真分析,研究了管道在卷管铺设过程中管道的轴向应力应变历史、应力-应变关系以及管道的弯曲曲率、截面椭圆度历史,并且验证了模型的准确性。其次,通过对多种不同工况进行数值模拟,然后进行参数敏感性分析,研究了不同的管道外径、径厚比、钢材级别对管道椭圆度损伤的影响。然后,把卷管铺设后带有椭圆度损伤的管道作为初始模型,在外压载荷下进行非线性屈曲分析,计算出带残余椭圆率管道的临界屈曲压力,并且和完好管道的塑性屈曲理论值进行对比。最后,把卷管铺设后带有残余应力的一段管道作为海底悬跨管道,计算其发生涡激振动时管道的应力时程,得到管道的应力幅值和平均应力,然后基于线性累积损伤理论和修正的S-N曲线计算悬跨管道的疲劳寿命,研究了残余应力对管道疲劳寿命的削减程度。