含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解.pdf
《含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 41 卷第 4 期 2023 年 7 月Vol.41 No.4Jul.2023海 洋 工 程THE OCEAN ENGINEERING含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解李英1,王维1,韩宇2(1.天津大学 水利仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;2.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)摘要:未埋设的海底管道在高温高压运行条件下可能发生侧向屈曲,情况严重时影响海底管道的结构安全。侧向屈曲临界力作为判定海底管道发生侧向屈曲的重要依据,主要影响因素有初始缺陷、管土相互作用等。现有关于侧向屈曲临界力的公式并未考虑管土相互作用、缺陷不平直度和管道自身材料特性
2、对侧向屈曲临界力的综合影响。建立含有通用几何初始缺陷海底管道的数值模型,使用Riks算法进行参数分析以研究极限侧向土壤阻力、管道缺陷不平直度和截面几何尺寸对海底管道侧向屈曲的具体影响。基于量纲分析法和多元线性回归,推导出海底管道侧向屈曲临界力关于上述3个影响参数的一般公式,并对该公式进行了检验,结果表明文中推导的公式在参数涵盖的研究范围内有效。关键词:海底管道;侧向屈曲;临界力;初始缺陷;管土相互作用;Riks算法中图分类号:P756.2 文献标志码:A DOI:10.16483/j.issn.1005-9865.2023.04.010Parametric solution of critic
3、al force for lateral buckling of submarine pipelines with initial imperfectionLI Ying1,WANG Wei1,HAN Yu2(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300350,China;2.Oil Production Services Co.,CNOOC Energy Technology&Services limited,Tianjin 300452
4、,China)Abstract:Unburied submarine pipelines may experience lateral buckling under high temperature and high pressure operating conditions,which affects the structural safety of submarine pipelines in severe cases.The lateral buckling critical force,as an important basis for judging the occurrence o
5、f lateral buckling in submarine pipelines,is affected by initial imperfection,pipe-soil interaction,and etc.The current formulas do not take into account the combined effects of pipe-soil interaction,imperfect out-of-straightness and material properties of pipelines on the lateral buckling critical
6、force.Numerical models of submarine pipelines with general geometric initial imperfection are established,and the Riks algorithm is used for parametric analysis to study the specific effects of the ultimate lateral soil resistance,the imperfect out-of-straightness and the cross-section of pipelines
7、on the lateral buckling of submarine pipelines.Based on the dimensional analysis method and multivariate linear regression,the general formula of the lateral buckling critical force of submarine pipelines with the three parameters is deduced,and the formula is tested.The results show that the formul
8、a derived in this paper is valid within the research scope covered by the parameters.Keywords:submarine pipeline;lateral buckling;critical force;initial imperfection;pipe-soil interaction;Riks algorithm海底管道是世界油气运输的主要方式之一,管道内保持高温和高压的运行条件以加速碳氢化合物的流文章编号:1005-9865(2023)04-0103-11收稿日期:2022-08-15基金项目:工业和信
9、息化部“深水半潜式生产储卸油平台工程开发项目”(MC-202030-H04)作者简介:李英(1975),女,河北保定人,博士,副教授,主要从事海洋工程结构物设计研究。E-mail:通信作者:王 维。E-mail:第 41 卷 海 洋 工 程动防止凝固。受地基土体的约束,海底管道在温压联合作用及泊松效应下不能自由膨胀而产生轴向力,当轴向力大于管道临界屈曲荷载时,裸置于海床上的管道将发生侧向屈曲。不可控的侧向屈曲可能造成的严重后果,譬如油气泄露、强度破坏以及随之而来的疲劳失效等会对海洋环境、海底管道正常运行造成很大的影响。基于理论分析和试验测试,Palmer和Baldry1阐述了管道发生侧向屈曲的
10、原因。Kerr2-3采用刚性平面的假设,建立了理想铁路轨道的侧向屈曲理论模型,并推导了前四阶屈曲模态的解析解。Hobbs4-5基于Kerr2-3对铁路轨道屈曲的研究,假设刚性海床具有恒定的摩擦阻力,推导得出了侧向屈曲临界荷载的解析解。Taylor和Gan6、Taylor和Tran7进行了一系列试验和解析解研究,提出了3种初始缺陷模型和这3种初始缺陷模型对应的临界载荷计算公式。基于理论分析和试验观察,Maltby和Calladine8扩展了Hobbs4-5关于刚性海床上直管道的解析解,推导了临界屈曲载荷与海底管道初始缺陷的振幅、波长有关的无量纲参数解。基于量纲分析法,Zeng等9将缺陷不平直度作
11、为一个整体考虑,提出了新的垂向屈曲临界载荷公式,并给出了一个应用实例。基于缩比尺试验,陈志华等10通过热油模拟管道实际运行情况,研究了不同初始缺陷对管道垂向屈曲的影响。Wang等11提出了一种用于模拟含缺陷海底管道分布浮力模块触发侧向屈曲的分析模型,并通过试验数据进行验证,推导出了半解析解。Miles和Calladine12基于小比例模型试验研究了含初始缺陷管道侧向屈曲问题,并提出了指数模型和双线性模型两种管土相互作用模型。基于动力显示分析方法,李成凤等13分析了土体约束力系数对长管和短管整体屈曲变形的影响。Wang等14基于刚塑性管土相互作用的假设,推导出了侧向屈曲临界力的解析解,与数值分析
12、结果对比表明除预屈曲状态外,解析解与数值解具有极好的一致性。上述研究成果为刚性或弹性海床上直管或某些含有初始缺陷管道的临界屈曲荷载估算奠定了基础。然而管土相互作用,管道初始几何缺陷以及自身材料特性对侧向屈曲临界力综合影响的明确函数表达式尚未被提出。因此分析了极限侧向土壤阻力、管道缺陷不平直度(缺陷波高与波长的比值)和管道截面几何尺寸对侧向屈曲临界力的影响。通过开展量纲分析,提出了一个包括这些相关参数的计算海底管道发生侧向屈曲所需临界屈曲荷载的一般表达式。1数值模型1.1管道模型开展海底管道侧向屈曲研究的管道为X65钢,其几何与力学属性如表1所示。应用ABAQUS软件建立裸置海底管道侧向屈曲的数
13、值分析模型。综合考虑管道的边界效应及计算效率,建立长度为2 000 m的管道模型,中部通过Python以脚本的形式导入初始几何缺陷,缺陷形态如式(1)所示。采用Pipe31划分管道单元,划分精度为1 m。表1管道参数Tab.1Pipeline parameters参数外径壁厚弹性模量钢材密度热膨胀系数泊松比符号D/mmt/mmE/GPa/(kg m3)取值45714.32067 8501.110-50.3104第 4 期李英,等:含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解y=12 1+cos()2xL,-L2 x L2(1)式中:为初始缺陷的波高;L为缺陷的波长,取100 m;x则代表缺陷位置距
14、离管道中点的距离。为了研究管道材料非线性对侧向屈曲的影响,采用Ramberg-Osgood本构关系15模拟管道钢材料的应力应变关系,其中X65钢的应力应变关系如图1所示。1.2侧向屈曲管土相互作用模型采用非线性弹簧Spring1模拟管土侧向与轴向相互作用。管土相互作用模型如图2所示。考虑了土壤破裂的摩擦分量和被动阻力,横轴代表管道滑移距离,s表示管道位移突破值进行管土侧向分析时取0.1D,轴向分析时取0.01D或0.005 m16;纵轴代表突破临界力,其与管道淹没重量N的比值为摩擦系数(通常取0.20.8)17,临界力与突破位移的比值即为k。由于管道发生屈曲时的屈曲长度相较于整体长度而言较小,
15、摩擦力对管道两端几乎没有任何影响,因此管道两端设为全约束。1.3数值方法针对海底管道侧向屈曲的分析,在 ABAQUS 中常采用 3 种有限元计算方法,即静力、动力和 Riks 算法18,三者各有优劣。静力算法使用增量牛顿法求解技术,但对于高度非线性问题,如侧向屈曲,使用静力算法容易出现不收敛的问题。之前的研究人员对这3种方法进行了比较19-21,发现这3种方法在预测峰值屈曲载荷方面非常一致。由于文中针对的是临界屈曲荷载的求解而不是屈曲后分析,因此动态解相对于Riks法18不会提供任何额外的优势。几何非线性静态问题有时发生跳跃形屈曲失稳现象,荷载挠度响应显示为负刚度,结构必须释放应变能以保持平衡
16、。Riks法18使用载荷大小作为标量,允许确定完整的荷载挠度曲线,包括荷载路径的反转。因此,为了分析屈曲前材料非线性和几何非线性有关的屈曲问题,采用Riks算法18。以50的变温荷载作为参考荷载,当屈曲发生时,“载荷比例因子弧长”曲线出现拐点,以此求得侧向屈曲临界力。图1X65钢应力应变关系Fig.1The stress-strain relationship of X65 pipeline steel图2双线性管土相互作用模型Fig.2Bilinear pipe-soil interaction model105第 41 卷 海 洋 工 程1.4数值模型验证Taylor和Gan6对裸置于平坦
17、海床上的管道进行了解析分析,并在分析过程中引入了初始缺陷。采用文献中的管道参数,利用有限元模型分别计算缺陷不平直度/L为0.003、0.004和0.005的临界屈曲温度。表2给出了数值结果与解析结果的对比,结果表明两种方法计算的临界屈曲温度误差在8%以内,由此验证了所建立的数值模型的正确性和可行性。1.5数值计算结果基于上述管土相互作用模型,侧向摩擦系数与轴向摩擦系数均为0.6,针对缺陷幅值为0.25 m的管道开展数值分析,得到的屈曲应力与管道变形如图3和图4所示。图3表明,管道的最大应力为148 MPa,发生在管道侧向位移最大的位置,图4表明最大位移为0.459 8 m。2侧向屈曲参数分析由
18、于管道在制造和铺设等过程中产生的初始缺陷以及海床与管道之间的相互作用、管道自身的几何特性等都会对管道的侧向屈曲行为产生一定的影响22-23。因此,针对裸置于平坦海床上的管道进行有限元数值模拟,分析极限侧向土壤阻力、缺陷不平直度、管道截面几何尺寸等参数对管道侧向屈曲的影响。2.1极限侧向土壤阻力的影响分析管土侧向相互作用采用双线性模型,在管道有效重度一定的情况下,侧向极限土壤阻力与侧向摩擦系表2海底管道侧向屈曲在不同不平直度下临界屈曲温度Tab.2Critical buckling temperatures of lateral buckling of submarine pipeline un
19、der different outofstraightness/L0.0030.0040.005屈曲温度/(FEA结果)78.969.664.4屈曲温度/(数值结果)77.966.959.8相对误差/%1.273.887.69图3屈曲应力云图Fig.3Buckling stress contour图4屈曲变形云图Fig.4Buckling deformation contour106第 4 期李英,等:含初始缺陷海底管道侧向屈曲临界力的参数解数成正比。针对缺陷不平直度为1/400的管道,不同侧向摩擦系数时管道轴向力侧向位移关系如图5所示。海床极限侧向阻力增大会导致海底管道临界屈曲轴向力增大;在
20、该不平直度下,管道发生屈曲的过程都较为平缓,屈曲前后的轴向承载力并没有显著下降,所引发的后屈曲应力集中现象亦不明显。为 了 分 析 临 界 侧 向 土 壤 阻 力 对 临 界 屈 曲 轴 向 力 的 影 响,图 6 给 出 了 不 同 侧 向 摩 擦 系 数(y=0.2、0.4、0.8)条件下,管道不平直度/L与临界屈曲轴向力的关系。由图6可以看出,同一不平直度下临界屈曲轴向力随着侧向摩擦系数的增大而增大,表明侧向屈曲受到侧向极限土壤阻力的影响显著;随着侧向摩擦系数从0.8降到0.2,不平直度为1/800的管道,其临界屈曲轴向力从2.17 MN减低到1.02 MN,而不平直度为1/100的管道
21、,其临界屈曲轴向力从1.07 MN减低到0.72 MN。2.2初始缺陷不平直度的影响分析海底管道在制造和铺设及运行过程中不可避免地会产生局部或整体初始几何缺陷。标准长度(12 m)的单根管道,初始缺陷不平直度通常小于1/50024。因此,综合考虑这种情况以及海床的不平直度,文中针对初始缺陷不平直度为1/8001/100范围内的管道,开展初始缺陷不平直度对侧向屈曲的影响分析。图7给出了不同不平直度的管道侧向位移与轴向力的关系。图7表明缺陷不平直度为1/100和1/200的管道,管道发生分岔型屈曲失稳,侧向屈曲前后管道轴向力并无明显变化;其他缺陷不平直度下的管道发生跳跃型屈曲失稳,屈曲后管道通过变
22、形释放轴向力,并且轴向力下降的梯度随着不平直度的降低而变大。图8给出了不平直度对临界屈曲轴向力的影响。随着不平直度的增加临界屈曲轴向力降低,并且两者呈现类似线性相关的关系,与不同摩擦系数时临界屈曲轴向力与不平直度的关系一致。图9显示了不同不平直度的管道在发生侧向屈曲时沿着管道长度方向的侧向位移。管道发生屈曲时屈曲的形式符合Hobbs第三阶侧向屈曲模态,并且变形最大处发生在初始缺陷中间位置。图10给出了管道初始缺陷不平直度对屈曲位移的影响。侧向屈曲发生时,屈曲位移随着不平直度的增加而增加,缺陷不平直度为1/100的管道,屈曲位移较不平直度为1/800的管道高了接近7倍。图5不同侧向摩擦系数下管道
23、轴向力位移曲线Fig.5Axial force-displacement curve of pipeline under different lateral friction coefficients图6侧向摩擦系数对临界屈曲轴向力的影响Fig.6Influence of lateral friction coefficient on critical buckling axial force图 7不同不平直度管道侧向位移与轴向力的关系Fig.7Relationship between the lateral displacement and the axial force of pipeli
24、nes with different out-of-straightness图8不平直度对临界屈曲轴向力的影响Fig.8Influence of out-of-straightness on critical buckling axial forces107第 41 卷 海 洋 工 程2.3管道截面几何尺寸的影响分析由于海底管道横截面几何尺寸对管道刚度有直接影响,因此,针对直径为323.9、457和650 mm,初始缺陷不平直度均为1/500的3种管道,通过改变壁厚来改变径厚比(D/t=10、20、30、40、50)的方式研究管道截面几何尺寸对侧向屈曲的影响。图11给出了同直径管道在不同径厚比
25、下,侧向位移与轴向力变化曲线。管道屈曲后通过变形的方式释放轴向力,并且随着径厚比的增加轴向力释放的过程愈加趋于平缓。图12显示了3种直径管道径厚比对临界屈曲温度的影响。相同直径的管道,径厚比越大临界屈曲温度越低;径厚比相同的管道,直径越大临界屈曲温度越高。这是由于截面积越大横截面刚度越大,管道的临界屈曲温度越高。图13显示了相同直径管道,不同径厚比对临界屈曲轴向力的影响。随着径厚比的增大,管道临界屈曲轴向力降低。通过对比分析图12和图13可知,相同直径管道,径厚比D/t=10相较于D/t=50,临界屈曲温度下降8.7%,临界屈曲轴向力下降46%。3侧向屈曲临界力公式3.1量纲分析为了提出一个具
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 初始 缺陷 海底 管道 侧向 屈曲 临界 参数
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。