海洋管道凹陷结构行为与应力集中分析

【摘要】海洋管道是海洋油气的重要输送通道,也是薄弱易损部件之一。随着使用年限的逐年增长,管道缺陷也随之增多,油气管道进入一个事故多发阶段。海洋环境复杂,一旦发生泄漏事故,会造成巨大的经济损失、生态破坏,甚至导致人员伤亡；海洋生态环境破坏之后在今后几年甚至几十年都难以恢复。因此海洋管道的安全性受到业内的广泛关注。引起海洋油气管道失效的因素可以大致归结为：腐蚀破坏、机械损伤及疲劳破坏。在实际生产活动中存在大量第三方活动对海洋管道造成的机械损伤,如海底管道可能受到坠落物体的撞击,船只拖网、抛锚的拖拽；而立管可能受到浮式设备等的撞击,随着深水浮式生产系统(FPS)的使用,生产立管之间的碰撞也引起了研究者的广泛关注。机械损伤主要造成管道产生凹陷缺陷,对海洋管道进行凹陷结构行为与应力集中分析有助于管道碰撞性设计和凹陷缺陷的安全评估。首先介绍了管道凹陷缺陷的概念、分类以及研究方向,给出一个清晰的对管道凹陷缺陷的认识；对API推荐评估公式进行介绍；由于在凹陷结构行为分析中涉及到材料非线性、几何非线性和接触非线性,必须采用非线性有限元方法进行建模分析。通过ABAQUS软件建模研究分析了直径244.5mm油气薄壁圆管在简支条件下受圆柱形刚性压头横向载荷挤压的结构行为,并与Ellinas碰撞评估公式进行对比,结果表明随圆管的长径比L/D增加,整体弯曲与局部凹陷的耦合作用明显,承载能力显著减小；随圆管的径厚比D/t增加,管道的局部承载能力下降；探讨了内压对管道承载能力的影响。最后在结构行为分析建模基础之上,加压生成球面凹陷与环向凹陷缺陷,不考虑残余应力,对平滑球面凹陷与环向凹陷进行参数分析。分析探讨了凹陷深度、径厚比以及凹陷缺陷尺寸等参数对凹陷缺陷应力和应力集中系数的影响,并对凹陷深度与应力集中系数进行拟合,给出凹陷深度与应力集中系数关系式；在不考虑凹陷缺陷轴向长度与环向宽度的基础上,给出平滑球面凹陷与环向凹陷应力集中系数与凹陷深度、径厚比的关系式。
【作者】王利新；
【导师】梁瑞；
【作者基本信息】兰州理工大学，化工过程机械，2014，硕士
【关键词】海洋管道；凹陷；承载性能；应力集中系数；非线性有限元；

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