海底弹性敷设管道悬空段振动疲劳分析及维修技术研究

作     者：王凯 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：张立松

授予年度：2021年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：弹性敷设 海底悬空管道 振动特性 疲劳寿命 管道连接器 

摘      要：随着我国海洋石油工业的发展及海底管道服役时间的增长,各大海域海底管道均不同程度上出现悬空现象。不同于埋地管道,管道悬空段约束状态改变且直接暴露在波浪、海流共同作用的海洋环境中,其失效风险增大。因海底崎岖地形的存在,含弹性弯曲变形的弹性敷设管道的悬空现象是十分常见的,但现有研究多针对于悬空直管段。因弹性弯曲变形的存在,弹性敷设管道结构上不再对称,其振动特性也不再与直管道相同。因此,需对弹性敷设管道悬空段展开相关研究,故本文做了如下工作:(1)基于渤海海域海况条件,对海底管道悬空段进行了受力分析。结合Morison公式及线性波浪理论,获得了悬空段所受的波激振动载荷;基于漩涡泄放过程分析获得了涡激振动载荷。(2)为准确表征管道与海床土体之间的相互作用,并避免模型中管土接触长度设置带来的误差,本文利用有限元软件ABAQUS建立了三维管土耦合模型,并引入无限单元表征海床土体对管道“无限范围的约束效果。基于该模型,对弹性敷设管道悬空段进行了模态分析,研究了弹性弯曲变形量、悬空长度、管径等因素对管道固有频率的影响,并分析确定了避免共振的安全频率范围。(3)本文考虑了顺流向、横流向载荷的耦合作用,分别针对悬空管道所处不同水深工况进行了波激振动分析与涡激振动分析;针对弹性敷设管道悬空段进行了疲劳寿命预测,讨论了悬空长度、管径、流速等因素对振动响应与疲劳寿命的影响。分析发现,因为弹性弯曲变形的存在,管道悬空段的振动响应不再表现出对称性,疲劳失效危险点出现在管土接触区域的出土位置,降低悬空长度、选用较大管径管道有助于延长管道疲劳寿命。(4)本文借鉴国内外海底管道悬空治理措施及失效维修技术,提出了创新性的维修方案,并对其施工工况进行了受力分析;对于连接器维修技术中存在的过盈安装问题进行了力学分析,获得了连接器安装所需的安装载荷预测公式。