聯(lián)合荷載作用下海底管道的彎曲破壞特性研究.pdf

1、海底管道是海上油氣資源開發(fā)中必不可少的重要組成部分，是一種快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)輸方式，被稱為海上油氣田的“生命線”。海底管道在運(yùn)行過程中，往往受到各種荷載的聯(lián)合作用，主要包括內(nèi)壓、軸力和彎矩。目前部分已投入運(yùn)行的海底管道已不同程度地出現(xiàn)了問題或者已進(jìn)入中后期使用階段，損傷失效率和油氣泄漏事故正在逐漸增多。為了避免此類事故的發(fā)生，需要準(zhǔn)確預(yù)測管道在各種聯(lián)合荷載作用下的承載能力和變形能力，及時正確的決策管道是否需要維修或者更換。當(dāng)管道受到滑

2、坡、沉降、地震等土體運(yùn)動影響時，管道的失效形式表現(xiàn)為以彎矩荷載為主引起的彎曲破壞，此時彎矩荷載成為管道設(shè)計(jì)的控制荷載。因此，研究在聯(lián)合荷載作用下海底管道的彎曲破壞特性具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　采用大連理工大學(xué)自主研發(fā)的管道復(fù)雜荷載試驗(yàn)機(jī)，開展了小徑厚比管道在內(nèi)壓、軸力以及彎矩組合作用下的全尺寸試驗(yàn)研究，得到了管道的極限彎矩承載力、管道的彎矩—曲率發(fā)展過程、管道的破壞形式以及不同位置處的應(yīng)變與

3、彎矩關(guān)系等試驗(yàn)結(jié)果。并對試驗(yàn)設(shè)備、實(shí)際運(yùn)行中可能承受的各種作用力的模擬、試驗(yàn)過程、試驗(yàn)步驟以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行了全面詳細(xì)的敘述。在實(shí)驗(yàn)管道加工階段，應(yīng)用管道幾何尺寸測量機(jī)獲得了管道全斷面的直徑和管壁厚度數(shù)據(jù)，研究了制造偏差對管道極限彎矩承載力的影響。
　　在Mohareb解析方法的基礎(chǔ)上，考慮截面塑性區(qū)橢圓化變形的影響，發(fā)展了管道在內(nèi)壓、軸向力和彎矩聯(lián)合作用下的極限彎矩承載力解析解，包括中性軸在管道的截面內(nèi)和截面外兩種情況。并應(yīng)

4、用C++語言編制了相應(yīng)的求解管道極限彎矩荷載力的程序。在解析解推導(dǎo)的過程中，通過定義材料屈服后不同的廣義模量，即應(yīng)變強(qiáng)化模量和彈性模量，提出了管道在聯(lián)合荷載作用下極限彎矩承載力的下限解析解和上限解析解。該解析方法不僅可以得到管道的極限彎矩承載力，還可以獲得管道彎矩—曲率的發(fā)展過程以及在任意彎矩荷載作用下管道橫截面的應(yīng)力分布情況。
　　采用本人和前人的試驗(yàn)結(jié)果、有限元計(jì)算結(jié)果對解析方法的精確性和合理性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。具體包括用試驗(yàn)

5、結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果判別解析方法得到的極限彎矩承載力、彎矩—曲率發(fā)展過程的精確性，用有限元計(jì)算結(jié)果判別解析解得到管道橫截面的應(yīng)力分布的精確性。上述比較表明，試驗(yàn)和有限元計(jì)算得到的管道的極限彎矩承載力、彎矩—曲率發(fā)展過程以及管道橫截面的應(yīng)力分布趨勢大都在理論推導(dǎo)得到的下限解析解和上限解析解之間。因此，驗(yàn)證可以采用本文發(fā)展的解析解來預(yù)測管道的承載能力和變形特性。
　　采用解析方法研究了初始內(nèi)壓、初始軸力、管道徑厚比、管道材料屈服強(qiáng)度、