海底管道热屈曲及管土相互作用研究

【摘要】自20世纪70年代以来,深海石油开发成为石油工业的一个重要前沿阵地。在墨西哥湾、巴西以及西非等地的深海石油开发已取得了重大的进展。我国目前正在开发东海油气田,在南海1000米水深范围内也发现了丰富的油气资源。随着海上石油工业向越来越深的海域推进,管道工作压力不断增大,其设计温度普遍达到或超过1000C,海床摩擦力约束管道受热膨胀会导致管道中产生巨大的轴向压力,进而发生整体热屈曲。屈曲破坏是当前造成海底管道破坏的主要因素之一。目前关于海底管道整体热屈曲的研究主要包括两个方面,第一是管道在热应力作用下的整体结构响应,第二是管道整体热屈曲过程中管土相互作用的机制和模拟方法。本文围绕以上两个方面展开研究：从解析和数值的角度,对海底管道整体热屈曲理论进行了补充和完善；通过有限元数值方法,研究了管土相互作用过程中土体破坏模式的变化,对现有管土相互作用模型的适用范围进行了分析和讨论。本文在管道整体热屈曲和管土相互作用方面完成了以下工作：1.提出了外力触发管道竖向热屈曲和侧向热屈曲的理论模型,给出了触发力和管道临界屈曲温度,临界屈曲轴力之间的关系。2.建立了管道在软弱海床上竖向热屈曲的理论模型,分析了海床抗力对管道热屈曲临界温度、幅值以及内力等的影响。3.建立了管垫法和浮力发触发管道侧向热屈曲的理论模型,分析了海床侧向刚度对管垫高度和浮力大小设计取值的影响。4.通过有限元数值模拟,研究了管道热屈曲过程的动力响应,分析了管道初始几何缺陷、管土相互作用参数、管道材料非线性对管道热屈曲动力过程的影响。5.通过有限元数值模拟,研究了管土大变形竖向和侧向相互作用机制。分析讨论了管土相互作用过程中土体破坏模式的变化,提出了新的土体破坏模式。同时,对现有管土相互作用模型的适用范围进行了讨论。
【作者】施若苇；
【导师】王立忠；
【作者基本信息】浙江大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】海底管道；管道整体热屈曲；管土相互作用；管道整体热屈曲设计；浮力法；管垫法；竖向扰动法；解析模型；有限元数值模拟；CEL方法；

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