海底双层管道落拖锚损伤机理和控制策略研究

作     者：阎宇峰 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：陈严飞

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：海底双层管道 落锚 拖锚 影响因素 损伤评价 防护措施 

摘      要：海底双层管道(Pipe-in-pipe)因其优异的保温性能,被广泛应用于海洋高温高压油气藏采出物的生产运输中。近年来,随着海洋航运及海洋渔业等的蓬勃发展,海底双层管道在投产前和服役过程中容易受到船舶抛锚、海上落物等冲击载荷及船舶拖锚、渔船拖网等静载荷的作用,使得海底双层管道特别容易产生凹陷等损伤,进而降低海底双层管道的机械强度,威胁海底双层管道的安全运行。因此,明确海底双层管道落锚、拖锚损伤机理,对海底双层管道的设计、保护方案的确定具有重要意义。本文针对海底双层管道受到第三方破坏时的损伤特性以及常见保护措施的效果开展研究,主要研究内容如下:(1)海底双层管道落锚损伤特性研究。基于建立的海底双层管落锚冲击有限元模型,分析双层管在受到撞击后的失效模式;研究形状、质量、速度等与落物相关的因素,管材、管径、壁厚等与管道相关的因素对管道落锚损伤的影响规律;从能量的角度给出海底双层管道落锚损伤评估方法;并研究扶正器、锻造连接件等双层管特殊结构对双层管抵抗落锚冲击损伤的影响。(2)海底双层管道拖锚损伤特性研究。基于建立的海底双层管拖锚有限元模型,分析双层管道受到极大静载荷作用时的失效模式;研究管材、壁厚、管径、管长等与管道相关的因素对管道拖锚损伤的影响规律;给出双层管变形与载荷之间的关系;并研究扶正器、锻造连接件等双层管特殊结构对双层管抵抗拖锚损伤的影响。(3)海底管道落拖锚损伤控制策略。对于工程中常用的混凝土配重层、挖沟埋设、混凝土压块、柔性防护垫等海底管道预防第三方破坏的措施,通过建立相应合理的有限元模型,对比分析不同保护措施对管道抵抗第三方破坏损伤的效果。基于以上研究发现:随着管道钢材等级的提升、壁厚和管道直径的增加,相同撞击能量下管道产生凹陷的深度逐渐减小(落锚撞击)、相同位移下压头与管道之间的接触力越大(拖锚损伤);长度对受落物撞击后管道的损伤没有影响(落物撞击)但会降低相同位移下压头与管道间的接触力(拖锚损伤)。双层管的特殊结构仅在距落物撞击点和压头作用点较近时,才会对双层管的损伤产生较大影响。不同防护措施均可在一定程度上缓解海底管道的落锚损伤和拖锚损伤。