（岩土工程专业论文）理想状态海底管线屈曲剧变特性研究.pdf

摘要 海底管线的屈曲剧变是管线失效的表现形式之一，所谓管线的屈曲是指管线 在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线 的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。较大的屈曲变形一方面 可能导致管线中的弯曲应力增大，接近或达到钢材的屈服强度，对管线的安全运 营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到渔业活动和船只航行的影响，增 加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进 水，影响管线的正常使用。因此温度应力下管线屈曲变形问题的研究有着重要的 现实意义。 本文在大量收集和阅读国内外文献资料，充分了解国内外海底管线的应用情 况、海底管线的常见问题以及研究现状的基础上，重点对国内外有关海底管线屈 曲剧变问题的研究方法和主要研究成果进行了系统的整理和分析。 管线的屈曲模式可类比于细长压杆的稳定问题和火车轨道在温度应力下的 屈曲问题。本文基于压杆稳定的基本理论对理想管线竖向屈曲剧变的解析解进 行了推导，并结合实际工程分析了温差、管土相互作用、管线埋深等因素对理想 管线竖向屈曲变形的影响。 应用a n s y s 弹塑性有限元分析软件对理想管线在温度应力作用下的屈曲剧 变现象进行了模拟分析。分析结果表明，管线的安全温度随着地基土摩阻力的增 大以及管线上覆土层厚度的增长而增大。当管线有足够的埋深时，将有效的抑制 竖向屈曲剧变的发生。 关键词：海底管线屈曲剧变理想管线解析解有限元法 a b s t r a c t t h eu p h e a v a lb u c k l i n go fm a r i n ep i p e l i n e sc a u s e db yt h et e m p e r a t u r es t r e s si s o n eo ft h em a i nf a i l u r em o d e so fp i p e l i n e s w h e nap i p e l i n ei so p e r a t e da th i g h i n t e r n a l p r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r e ，i tw i l l a t t e m p tt oe x p a n da n dc o n t r a c t f o r d i f f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ec h a n g e s n o r m a l l yt h el i n ei sn o tf r e et om o v eb e c a u s eo ft h e p l a n es t r a i nc o n s t r a i n t si nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o na n ds o i lf r i c t i o ne f f e c t s f o r p o s i t i v ed i f f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ei tw i l lb es u b j e c t e dt oa na x i a lc o m p r e s s i v el o a da n d w h e nt h i sl o a dr e a c h e ss o m ec r i t i c a lv a l u e ，t h ep i p em a y e x p e r i e n c ev e r t i c a l ( u p h e a v a l b u c k l i n g ) o rl a t e r a l ( s n a k i n gb u c k l i n g ) m o v e m e n t st h a tc a nj e o p a r d i z et h es t r u c t u r a l i n t e g r i t yo f t h ep i p e l i n e i nt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，a ne v a l u a t i o no ft h ep i p e l i n eb e h a v i o r s h o u l db ep e r f o r m e di no r d e rt oe n s u r et h ep i p e l i n es t r u c t u r a l i n t e g r i t yd u r i n g o p e r a t i o ni ns u c hd e m a n d i n gl o a d i n gc o n d i t i o n s p e r f o r m i n gs u c ha n a l y s i s ，t h ec o r r e c t m i t i g a t i o nm e a s u r e sf o rt h e r m a lb u c k l i n gc a nb et a k e ni n t o a c c o u n te i t h e rb y a c c e p t a n c eo fb a rb u c k l i n gb u tp r e v e n t i n gt h ed e v e l o p m e n to fe x c e s s i v eb e n d i n g m o m e n t ，o rb yp r e v e n t i n ga n yo c c u r r e n c eo fb e n d i n g t h ep r e s e n ts t u d yc o n c e n t r a t e so nv e r t i c a lu p h e a v a lo fb u r i e dm a r i n ep i p e l i n e s a na c c o u n to fs o m er e s e a r c h e so ft h eu p h e a v a lb u c k l i n go fb u r i e dp i p e l i n e sh a sb e e n g i v e ni ng r e a td e t a i l s t h a tv e r yc l o s er e l a t i o n s h i pe x i s tb e t w e e nt h et h e r m a l b u c k l i n go fc o m p o n e n t ss u c h a sc o n t i n u o u s l yw e l d e dr a i l t r a c k s ，c o n c r e t er o a d p a v e m e n t so rs u b s e aa n db u r i e dp i p e l i n e s ，a n dt h es i m p l eb u c k l i n go fc o l u m n sh a s l o n gb e e nr e c o g n i z e d i na s s o c i a t i o nw i t ht h ep r a c t i c a lp i p e l i n ep r o j e c t ，a na p p r o a c hf o re s t i m a t i n gt h e v e r t i c a lu p h e a v a lb u c k l i n go fp e r f e c tp i p e l i n e st e n d e n c yh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h e f a c t o r st h a tm a yc a u s ep i p e l i n eb u c k l i n g ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，s u b s o i l ，b u f f e dd e p t h a n de x p a n s i o nb e n da r ed i s c u s s e d f i n a l l y ，t h ef m i t ee l e m e n ts o f t w a r en a m e d a n a s y sh a sb e e na p p l i e dt oa n a l y z i n gt h eu p h e a v a lb u c k l i n go fp e r f e c tp i p e l i n e s a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ea n a l y t i cs o l u t i o n 1 1 1 ea n a l y z i n gr e s u l t ss h o wt h a ts t r e s s e si nt h ep i p e l i n er i s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，f r i c t i o nb e t w e e nt h ep i p e l i n ea n ds u b s o i l ，a n dt h eb u r i e dd e p t h w 1 1 i l et h eb u r i e dd e p t hi sd e e pe n o u g h t h ep i p e l i n ev e r t i c a lu p h e a v a ls h o u l db e e n p r e v e n t e d 1 ( e yw o r d s ：m a r i n e p i p e l i n e ，u p h e a v a lb u c k l i n g ，p e r f e c tp i p e l i n e ，a n a l y t i cs o l u t i o n ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作者签名溜两哪签字日期山吕年g 月为日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 籀函哳翩虢毒j f 司 导师签名：陟lif 艺l hh、 签字日期：出加x 年月g i o 日 一 签字日期：o 占年，月罗d 日 第一章海底管线的应用及发展 第一章海底管线的应用及发展 1 1 国内外海底管线的应用情况 1 1 1 国外海底管线的发展 随着海上油田开采方式和技术的发展，海底管线已经广泛应用于海上油田的 开发。管线运输是油气运输中最快捷、经济、可靠的主要方式。据国外专家统计， 某些发达国家的管线运输方式约占油气运输总量的三分之二之多，油气的管线运 输从原油、天然气的生产、精炼、储存及到用户的全过程起到了重要的作用。 海底管线在国际上已经有了较长的历史。从1 9 5 4 年在美国墨西哥湾由 b r o w n & r o o t 海洋公司铺设的第一条海底管线以来，半个世纪里，世界各近海海 域成功铺设的海底管线总长度已达几千万米 1 】，各种类型、各种管径的海底管线 也相继问世。 国外早期石油开发一般都在离岸较近的浅海区，水深仅6 米，且管线较短、 管径较细，大多是井口与平台、井口与井口以及平台与平台之间的集油管线。通 常采用带刚性直托管架的方驳型铺管船进行铺设。 六十年代，随着中东、墨西哥湾以及北海油气田的开发，由于海深增加，气 候条件和海况较差，使上述铺管船已无法胜任，取而代之的是自航式流线型铺管 船。船上设有起重能力达2 5 0 8 0 0 吨的起重机，并逐步采用半自动和自动焊接技 术。同时采用曲线型托管架以改善管线的受力状态。可以在水深1 0 0 米的海域 里铺设距离较长( 2 0 公里以上) 、口径较粗的外输管线。 七十年代，由于北海油田的进一步向北开发以及大型油田的相继问世，为适 应北海北部越来越恶化的气候条件和海况，人们建造了抗风浪能力很强、稳定性 很好的第三代铺管船，即大型自航或非自航半潜式铺管船。船上均配有大型固定 式和回转式起重机，起吊重量达1 6 0 0 吨回- - , 2 0 0 0 吨回，并设有7 1 2 个用作焊 接、x 光检查和喷涂防护的工作站。它们一般能在浪高3 6 4 5 米和水深1 5 0 3 0 0 米的海域里作业，铺设管径最大达1 4 2 2 4 毫米( 5 6 英寸) 。 铺管技术随着海域水深的增加也相应得到了大的发展。到目前为止，主要的 铺管方式有：浮游法、悬浮拖法、离底拖法、铺管船法以及深水区域的“j ”型 铺管法等，铺管水深已大于6 1 0 m 。铺管设备已经发展到第四代，即箱体式铺管 船、船型式铺管船和动力定位式铺管船【2 】 3 1 。 第一章海底管线的应用及发展 经过半个多世纪的探索，海底管线在世界范围内已经有了突飞猛进的发展， 这也为我国海上油气运输的发展提供了良好的国际环境1 1 1 2 国内海底管线的发展 我国海底管线的铺设，因海洋工程发展缓慢，装备与技术相对落后而起步较 晚。1 9 7 3 年我国首次在山东黄岛采用了浮游法铺设了三条5 0 0 m 从系泊装置至岸 上的海底输油管线。又于1 9 8 5 年渤海石油海上工程公司在埕北油田也采用浮游 法成功地铺设了1 6 k m 钻采平台之间的海底输油管线。在近2 0 年的海上油气田 开发中，从最初的油气田内部短距离海底管线发展到各类长距离平台至陆地海底 管线，其设计、施工技术有了长足发展。 我国第一条海底输油管线建成于1 9 8 5 年。第一条长距离管线建成于1 9 9 2 年， 它是锦州2 0 2 天然气凝析油混输管线，该管线全长4 8 6 k m ，管径为3 0 4 8 m m ， 是第一条由国内铺管船铺设的海底管线。我国迄今为止最长的海底管线是1 9 9 5 年底建成投产的由南海崖城1 3 1 气田至香港的海底输气管线，该管线全长 7 8 7 k m ，管径为7 1 1 2 m m 。 我国第一条长距离稠油输送海底管线是2 0 0 1 年建成投产的绥中3 卜1 油田 中心平台至绥中陆上终端海底管线，该管线全长7 0 k m ，为双重保温管线，管内 径为5 0 8 m m ，管外径为6 6 0 4 m m ，年输油量为5 0 0 1 0 4 t ，所输原油密度为 0 9 6 9 c m 3 ，平均地面黏度为1 0 0 0 m p a s ( 5 0 0 c ) ，该管线是在总结了绥中3 卜1 试验区海底管线输送经验的基础上建设的。1 9 8 7 年该油田被发现后，在进行油 田工程方案可行性研究中，曾探讨铺设5 0 k m 海底管线将海上原油输送上岸。经 国内权威专家及国外公司研究评估认为，该油田所产原油密度高、粘度大，且当 时国内外尚无长距离海底管线输送稠油的先例，技术风险大，特别是油田处在辽 东湾，冬季气温低，停输再启动风险更大。随即启动了试验区方案，认为采用双 层保温管长距离输送高粘原油是可行的。该长输管线自2 0 0 1 年投运以来，系统 运转正常。可以说，绥中长距离海底输油管线填补了国内外海底长距离输送高粘 油的空白。近2 0 年我国近海还铺设了多条长距离海底管线。 尽管至2 0 0 5 我国海域已铺设海底管线6 0 多条，总长度超过3 0 0 0 k m ，但目 前国内设计、施工、施工能力及水平与国际先进水平相比还有很大差距。工程设 计方面，国外公司已形成水深近3 0 0 0 m 、恶劣海况和复杂海底地貌及地质情况下 的设计技术，而国内设计单位仅能涉足百米水深、常规环境下的海底管线设计， 工程施工方面，国内只有两条铺管船，铺设水深百米以内。工程检测方面更是相 形见拙，2 0 0 0 年，东海平湖输油管线出现断裂后，国内相关单位用了一年多时 间才完成修复。可以说，我国在海底管线设计、施工以及检修领域起步较晚，技 第一章海底管线的应用及发展 术落后。因此，大力加强关键项目的对外合作，适当引进关键技术与设备，是尽 快适应海上油气田开发、提高国内海底管线技术水平的有效途径。 走向深水是世界海洋石油的发展趋势，目前世界上钻井水深已达2 9 6 7 m ，海 底管线铺设水深已达2 1 5 0 m ，油田作业水深已达18 5 3 m 。据有关资料介绍， 2 0 0 0 - 2 0 0 4 年世界上新建1 1 4 座深水设施，深水钻井1 4 0 0 口，安装水下采油装 置10 0 0 多套，铺设深水海底管线与立管1 2 0 0 0 k m 。 深水油田一般定义为大于3 0 0 m 水深的油气田，目前国际公认工程界己具有 开发水深1 5 0 0 m 以内油气田的成熟技术。严格地说，我国尚不具备独立自主开 发深水油田的能力，2 0 多年来，我国通过对外合作已经基本掌握了开发2 0 0 m 水 深以内各类油气田的工程技术。目前，我国最深的海上油田一流花油田深为 3 3 0 m ，是1 9 9 6 年由美国阿莫科石油公司开发的。该生产系统由一艘半潜式生产 平台和一艘浮式生产储油装置组成，采用了许多当时世界上最先进的技术组合。 流花工程曾成为9 6 年美国o t c 大会的亮点。目前国内深水技术尚数一片空白， 需尽快学习、引进、消化国外成熟的深水油气开发储运技术，为开发深水做好技 术和装备准备4 i 。 可以说，中国海洋石油工业的高速发展对海洋石油油气储运工程设计和建设 界是一次新的机遇与挑战! 1 2 海底管线的常见问题 在海底管线应用迅猛发展的过程中，海底管线的安全问题始终为人们所关 注。同陆上管线相比，海底管线运行的风险更大，出现问题的概率更高，这主要 与其工作环境条件恶劣密切相关。运行在海底的管线既可能受到波浪、海流、潮 汐、腐蚀等作用，又可能面临船锚、平台或船舶掉落物、渔网等撞击拖挂危险， 很容易发生失效事故。据美国m m s ( m i n e r a l sm a n a g e m e n ts e r v i c e ) 对墨西哥湾 1 9 6 7 1 9 8 7 年间海底管线失效事故统计，在这2 0 年间共发生海底管线失效事故 6 9 0 例，平均每年发生的失效事故多达3 5 例，由此可见，海底管线发生失效事 故是比较频繁的。 a r n o l d 对美国密西西比河三角洲1 9 5 8 一1 9 6 5 年间海底管线失效的事故进行 了统计，发现海床运动和波流冲刷是海底管线失效的主要原因。它们所引起的海 底管线失效占总失效的3 6 2 ，这与该海域水深较浅以及海底地质松软有关。腐 蚀和机械破坏是海底管线失效的次要原因，机械破坏包括锚和其它不明物体造成 的海底管线破坏，它们分别占总失效的2 9 2 和2 6 6 ，其它原因引起的海底管 线失效占8 。 第一章海底管线的应用及发展 d e m a r s 等对1 9 6 7 一1 9 7 5 年间墨西哥湾海底管线事故进行分析发现腐蚀、波 流冲刷p j 、第三方活动和海床运动是引起海底管线失效的主要原因，图1 1 是根 据d e m a r s 统计出来的数据绘出的这四种原因历年所引起的海底管线失效数曲线 图。从图中可以看出在这四种原因中，腐蚀是引起海底管线失效的最主要原因， 历年由第三方活动、海床运动和波流冲刷引起的海底管线失效数变化相对较小， 而腐蚀引起的海底管线失效数变化相对较大，海底管线失效总数基本呈逐年上升 趋势，这与海底管线服役时间增长以及铺设量增加有关。另外美国m m s 对墨西 哥湾1 9 6 7 一1 9 8 7 年2 0 年间海底管线失效原因进行了统计，发现腐蚀是海底管线 失效的主要原因，占总失效的5 0 。第三方活动、暴风雨和软泥滑动是海底管线 失效的次要原因，分别占总失效的2 0 和1 2 ，其它不明原因引起的失效占1 8 ， 其结果与d e m a r 等统计的结果基本一致。 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 糕 誉 2 0 水 l s 1 0 5 o 总数 腐蚀 波流冲刷 海床运动 第三方活动 1 9 6 71 9 6 81 9 6 91 9 7 01 9 7 11 9 7 # 1 9 7 31 9 7 41 9 7 5 年份 图卜11 9 6 7 1 9 7 5 年间海底管线失效曲线 从上面国外研究人员对海底管线失效原因研究可以看出，腐蚀、波流冲刷、 机械破坏第三方活动、海床运动是海底管线失效的主要原因，除此之外材料和 焊缝缺陷、对海底管线附件失效也是两个比较常见的原因【7 叫。 4 第一章海底管线的应用及发展 1 3 海底管线的屈曲剧变问题 海底管线是海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分。随着海洋石油事 业的发展，出现了越来越多在较高温度下工作的海底管线，海底管线在温度应力 作用下的屈曲剧变问题成为保证管线安全运行的重要课题 m 1 2 】。 海底管线的屈曲剧变是管线失效的表现形式之一，所谓管线的屈曲是指管线 在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线 的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。 在海底管线设计的初期，工程技术人员普遍认为只有陆地管线会发生屈曲变 形，海底管线不存在这一问题。但根据对已有海底管线的调查表明，这种屈曲变 形确实存在其危害不容忽视。1 9 8 7 年7 月，在北海丹麦海域内沿一段全埋管线 进行年检调查时，发现一段管子因隆起而突出海底面，由海底表面到拱顶下缘的 拱高达1 1 m ，悬起的管段跨长1 0 m ，由于拱起两侧未受干扰管线的埋深约为 1 5 m ，所以整个屈曲的高度约为2 6 m ，挠曲波长2 4 m ，管线无法正常运行【8 。根 据文献 8 的研究结果，导致管线发生竖向屈曲变形的原因为：( 1 ) 管线的输送 温度高达8 2 ，而且历经多次关闭和开启；( 2 ) 施工过程造成管线具有初始缺 陷，局部发生了塑性变形。 2 0 0 3 年，我国对渤海中某油气管线进行路由调查发现，一条挖沟埋设靠自 然回填的海底输水管线，偏离设计路由约l k m ，发生了水平向屈曲变形，严重影 响使用。初步分析表明，较高的设计温度7 5 和管线的初始缺陷是造成其发生 水平向屈曲变形的主要原因。 近年来，在渤海湾先后发现了青黄岛3 2 6 、南堡3 5 2 、绥中3 6 1 等较 大储量的油田，但渤海湾地区的原油具有高密度、高粘度、高凝固点及高含蜡性 等特点，为了防止原油冷凝、结蜡和生成水化物，海底输油管线的设计压力不断 提高，设计温度普遍达到或超过1 0 0 ，甚至可能达到1 5 0 。c 的高温，而且为了 减少温度的损失，已建的输油管线一般都具有保温结构，使得管线中保持较高的 温度应力，在这样的设计条件下几乎任何海底管线都面临着发生屈曲变形的考 验。 较大的屈曲变形一方面可能导致管线中的弯曲应力增大，接近或达到钢材的 屈服强度，对管线的安全运营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到渔业 活动和船只航行的影响，增加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、 保温层结构遭到破坏甚至进水，影响管线的正常使用。因此温度应力下管线屈曲 变形问题的研究有着重要的现实意义【1 3 15 1 。 第一章海底管线的应用及发展 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 大量收集和阅读国内外海底管线的文献资料，充分了解国内外海底管线的 应用情况、海底管线的常见问题以及研究现状。 ( 2 ) 对国内外有关海底管线屈曲剧变问题的研究现状和主要研究方法进行系 统的整理和分析。 ( 3 ) 对理想管线屈曲剧变问题开展深入的研究，推导其解析解。研究管线内外 温差、地基土阻力、覆盖层厚度对管线屈曲剧变的影响，总结规律性。 ( 4 ) 应用a n s y s 大型有限元分析软件对理想管线在温度应力作用下的屈曲剧 变进行模拟分析。温度应力和内压是造成管线发生屈曲变形的根本原因。 由于内压通常是恒定的，因此温度对屈曲形态的影响是本项研究的重点。 将计算结果与解析解的计算结果进行比较。 ( 5 ) 对防止高温运行的海底管线发生屈曲剧变提出指导性建议。 6 第二章海底管线的屈曲剧变研究 第二章海底管线的屈曲剧变研究 2 1 海底管线屈曲剧变现象的产生及分类 2 1 1 海底管线的分类 管线按埋设方式不同可分为不埋设管线、半埋管线、全埋管线。海底管线直 接铺在海底面上，往往因波浪力、潮流力等的冲击而折断；因海船抛锚时的撞击 和起锚时的勾拉而破裂；因渔船拖网而被拉断；因底部基础和支墩遭受破坏而引 起管线稳定性破坏。海底管线被破坏，必然导致油气大量流失，不但在经济上受 损，而且还严重污染环境，因此在施工过程中通常会通过开沟的方式用地基土体 把管线埋设起来，从而增加管线运输过程的安全性。 按有无初始缺陷来分类，可将管线分为理想管线和有初始缺陷管线。初始缺 陷即海底管线在制造和铺设过程中由于制造的缺陷或地基土体的原因而具有初 始变形。本文所说的管线初始缺陷是指由于管线地基的凹凸不平而导致的管线铺 设后具有的初始微小变形。 2 1 2 海底管线屈曲剧变问题的研究现状 国内外对于海底管线的研究大多集中于管线的工艺要求、在位稳定性以及防 冲刷、悬跨等问题，海底管线在温度应力下的稳定性分析，由于同时涉及到波浪、 海流特别是地基土体与管线的相互作用，较为复杂，难于采用常规方法进行研究。 地基土体对管线的约束使得管线无法自由变形，导致管线中由于温差和压差 产生的应力不能释放，应力的不断累积引起管线的急剧弯曲。因此地基土体对管 线的约束是导致管线屈曲变形的主要原因。但由于土体性质变异性大，抗力发挥 过程复杂，加之管线具有多层保温结构，增加了这一问题的复杂程度。 针对海底管线的水平向及竖向屈曲问题，国外一些学者开展了一系列的研究 工作。r o b b s 9 3 1 1 4 3 等人借鉴有关铁路轨道的研究方法，对不考虑初始缺陷的海底 管线在温度应力作用下发生屈曲变形进行了初步的研究。分析了管线竖直向和水 平向可能发生的屈曲形态，并通过微分方程及试算法得到管线变形和内力计算的 解析解，为工程设计提供了基本的依据，为开展深入的研究奠定了良好的基础。 n i e l s e n 和p e d e r s e n l l 6 2 3 - 2 5 1 等人对埋设管线发生拱起破坏的过程进行了模型试验 研究，重点分析在管线拱起的过程中上覆土体抗力逐步得到发挥的过程。实际上， 第二章海底管线的屈曲剧变研究 海底管线在制造和铺设过程中会因为制造的缺陷或地基土体的原因而具有初始 的初始缺陷。m 【2 6 】【2 7 1 、t a l o y 2 8 1 和c a s s e l ll 2 9 1 等研究人员对具有初始缺陷管线在 温度应力下的变形过程进行了模型试验和理论研究，并采用有限元及有限差分法 模拟管线在温差和压差作用下的应力和变形过程，在分析中考虑了管线材料的非 线性和管线变形的几何非线性，但对于具有初始缺陷管线的研究到目前为止没有 得到圆满的解答。综上所述，对于海底管线在温度应力下的屈曲变形研究尚处于 探索阶段，管线中温度应力的准确计算，管线发生屈曲变形的影响因素、规律性， 屈曲形态的数值模拟与工程控制措施，以及地基土体对管线约束力的发挥程度及 不同时期作用力的大小等问题，都有待进一步研究。 在我国对这一问题的研究尚未深入。根据国外的工程经验，设计温差达到 8 5 时，管线即可能发生屈曲变形乃至破坏【l 卜2 。近来在渤海油田的海底管线设 计中，管线的设计温差达到8 0 以上，因此温度应力下的管线屈曲变形问题逐 步显现，成为管线设计和关系到管线安全运营的关键问题。而且考虑到工程造价 等因素，正在研究采用单层保温管结构代替传统的双层管，这样做可以大量节省 用钢量减小施工难度，但是改进后的单层钢管截面刚度较原双层钢管结构大大降 低，对抵抗温度应力和屈曲变形更加不利。 由此可见，结合我国的工程实践，开展双重和单重保温管线在温度应力下与 地基土体相互作用的研究不仅在理论上有着广阔的研究空间而且具有重要的工 程应用价值。 2 1 3 海底管线屈曲剧变的形态 管线的屈曲剧变可分成两类，即水平向屈曲模式和竖直向屈曲模式。 竖直向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土 体的约束，无法自由变形而产生的垂直向上隆起，常发生于全埋管线或半埋管线 中。 水平向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土 体的约束，无法自由变形而产生的水平方向的蛇形位移，常发生于半埋管线或不 埋管线中。 这二种模式都可以用一个非常简单的模型来演示，例如，切削橡皮以形成一 个水平的切削平面，然后用一个小型的千斤顶对其加载，这两种模式在实际的管 线上都曾有过记录，如图2 1 和图2 2 所示。 第二章海底管线的屈曲剧变研究 海床 图2 1 竖直屈曲模式 图2 2 水平屈曲模式 2 2 海底管线屈曲剧变分析的理论基础 2 2 1 压杆稳定原理 理想管线的屈曲变形可类比于压杆稳定问题。 ( 1 ) 压杆稳定的概念1 2 z j 当受拉杆件的应力达到屈服极限时，将引起塑性变形或断裂。长度较小的受 压短柱也有类似的现象，例如低碳钢短柱被压扁，铸铁短柱被压碎。这些都是由 于强度不足引起的失效。在以前研究杆件的压缩时，都认为杆件只要满足强度条 件就能保持正常工作。这对短而粗的压杆是正确的；对于长而细的压杆，除了满 足强度条件外，还要满足稳定条件，压杆才能保持正常工作。 细长杆件受压时，表现出与强度失效全然不同的性质。例如一根细长的竹片 受压时，开始轴线为直线，接着必然是被压弯，发生颇大的弯曲变形，最后折断。 与此类似，工程结构中也有很多的细长杆。现以图2 3 两端铰支的细长压杆来说 明这类问题。设压力与杆件轴线重合，当压力逐渐增加，但小于某一极限值时， 杆件一直保持直线形状的平衡，即使用微小的侧向干扰力使其暂时发生轻微弯曲 图2 3 ( a ) ，干扰力解除后，它仍将恢复直线形状图2 3 ( b ) 。这表明压杆直线形 状的平衡是稳定的。当压力逐渐增加到某一极限值时，压杆的直线平衡变为不稳 定，将转变为曲线形状的平衡。这时如果再用微小的侧向干扰力使其发生轻微的 9 第二章海底管线的屈曲剧变研究 弯曲，干扰力解除后，它将保持曲线形状的平衡，不能恢复原有的直线形状图 2 3 ( c ) 。上述压力的极限值称为临界压力，记为已。压杆丧失其直线形状的平 衡而过渡为曲线平衡，称为丧失稳定，简称失稳，也称屈曲。 l 神 p 嚣改r 图2 3 细长压杆的稳定问题 杆件失稳后，压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件已丧失了承 载能力。但细长杆件失稳时，应力并不一定很高，有时甚至低于比例极限。可见 这种形式的失效，并非强度不足，而是稳定性不够。由于受压杆失稳后将丧失继 续承受原设计荷载的能力，而失稳现象又常是突然发生的，所以结构中受压杆件 的失稳常造成严重的后果，甚至导致整个结构物的倒塌。工程上出现的较大工程 事故中，有相当一部分是因为受压构件失稳所致，因此对受压杆的稳定问题绝不 容忽视。显然，承载结构中的受压杆件绝对不允许失稳。 由于杆端的支承对杆的变形起约束作用，且不同的支承形式对杆件变形的约 束作用也不同，因此，同一受压杆当两端的支承情况不同时，其所能受到的临界 力值也必然不同。工程中一般根据杆件支承条件用“计算长度”来反映压杆稳定 的因素。不同材料的压杆，在不同支承条件下，其承载力的折减系数也不同，所 用的名称也不同，例如钢压杆叫长细比，钢筋混凝土柱叫高宽比，砌体墙、柱叫 高厚比，但这些都是考虑压杆稳定问题。 ( 2 ) 一般压杆的压弯与失稳 2 3 】 在孙i ) l l 芳教授的教材中曾举了这样一个例子：取一个长3 0 0 m m 的钢板尺， 其横截面尺寸为2 0 0 m m l m m ， o - 1 1 9 6 m p a ，允许的轴向压力为 l o 伊，l扎hv l 尸渤 尝 、， p 尹 叫 ， 他r。；。，”。，。，。，。l p 辚 第二章海底管线的屈曲剧变研究 p = 2 0 x 1 x 1 0 。6x 1 9 6 = 3 9 2 k n ，但予以承压时，只用不到4 0 n 的压力就可以将 其明显压弯，使其在承压方面迅速丧失承载能力，而4 0 n 3 9 2 0 n 。由此可知， 其承载能力并不取决于钢尺的轴向抗压强度，而是与其受压时变弯的情况有关。 要提高压杆的承载能力，关键问题在于提高压杆的抗弯刚度。这类直杆受压时发 生弯曲变形的原因主要体现在以下三个方面：( 1 ) 杆轴线不可避免地存在着初曲 率；( 2 ) 外力不可能毫无偏差地与杆轴线重合；( 3 ) 材料本身存在着不均匀性等。 这些因素可用外加压力的偏心作用来表示。为此以两端铰支的小偏心压杆为 例来说明这类压杆的稳定问题，见图2 4 。 p p 图2 4 两端铰支小偏心压杆 y 如图所示，压杆任一x 截面上的弯矩为： m = p g + v ) ( 2 1 ) 在线弹性状态下，压杆在微弯的状态下保持平衡，其挠曲线近似微分方程为 一日，v ”= m ( 2 2 ) 将( 2 一1 ) 式代入上述方程得 田，矿”+ p v = 一p e ( 2 3 ) 令 第二章海底管线的屈曲剧变研究 后2 ：土 ( 2 4 ) e lx 这样方程( 2 3 ) 可写成 矿”+ 露2 y = 是2 p ( 2 5 ) 其通解为 v = c lc o s o c + c 2s i n k x - e ( 2 6 ) 其中未知量有c 。、c ：和尼。边界条件为矿( 0 ) = 0 ，矿( ，) = o 及矿7 ( 0 ) = - v ( ，) ， 由前两个可以定出 c 。= 口c ：= p 面1 - c o s m = e 咏等 ( 2 - 7 ) 第三个边界条件非独立，因为 v 7 = - c l k s i n k x + c 2 k c o s k x ( 2 8 ) 所以 矿7 ( 0 ) = c 2 k ， v ( ，) = c 1 k s i n k + c 2 k c o s k l ( 2 9 ) 由第三个条件得 导：芒生：堙一k p - ( 2 1 0 ) = 一= f 一 、z l u ， c ， 1 + c o s k 。2 这恰好是式( 2 - 7 ) 的结果，于是只能写出包含未知量k 的挠曲线方程 y = 留等s m 奴+ c 。s 缸一- ) ( 2 - 1 1 ) 最大挠度发生在杆的中点，其表达式为 万= y 匕 = p ( 留i k s i n i k l + c 。s i k l 一， = p ( s e c 等一) ( 2 - 1 2 ) 上式即为压杆的最大挠度万与荷载尸( 见式2 4 ) 的关系，在线弹性范围内的 稳定平衡时，从理论上说万应为一有限值，但上式表明，当k l = n ，r ( n = 1 , 3 ，) 时， 万一0 0 。这就是偏心压杆的失稳，其对应的最小荷载称为临界荷载只，。 它的求法正好为一阶特征值问题的处理过程：万一0 0 的必要与充分条件是 s e c i k l 一，这时肼的最小值为万，即有乃：州，由式( 2 4 ) 即可求出 乃车孚 协 第二章海底管线的屈曲剧变研究 对不同的小偏心距o ，由式( 2 1 2 ) 可画出一组p 一万曲线，见图2 5 ，可以 看出它们均以乓为渐近线，这恰好说明了i 临界力的特征。 d p c r l p c ，己 p c r 3 o 图2 5 临界力特征图 6 从对立统一的观点来看，这类偏心压杆的承载能力是由矛盾的双方一轴向变 形和弯曲变形共同决定的，当p 只，时，杆件在压弯的状态下维持稳定的平衡。 随着p 力的加大，弯曲变形逐渐增大并转化为主要的变形。但与刚度问题不同的 是，这里挠度与荷载呈非线性关系，即式( 2 1 2 ) 。当尸_ p ，时，荷载尸的微小 增加将会引起弯曲变形的无限增长，从而使压杆迅速丧失承载能力，这是实际工 程压杆出现的主要失稳现象，称为丧失第二类稳定。在这一阶段中，失稳取代了 弯曲占据了矛盾发展的支配地位，并决定了矛盾的发展与转化性质。由此可知， 丧失第二类稳定问题的特征是：是逐渐加载中，压杆的变形将大大发展，但其平 衡形式并不发生质变，即不会发生新的变形形式，只是弯曲变形在极限状态下的 无限增大，使压杆的平衡失去稳定性。 亦可以由式( 2 1 2 ) 导出e 一0 的理想情形，这就是一般教材中主要介绍的 略去一切偏心因素的中心受压直杆力学模型。其稳定平衡时的变形特征亦可由式 ( 2 1 2 ) 反映，k n x ( n = 1 ，3 ，) ，则式中正割项为一有限值，即艿= 0 ，意味 着此时压杆是在直轴线状态下维持平衡，因而是稳定的平衡。若k l = 1 7 7 r ( 1 1 = l ，3 ) 第二章海底管线的屈曲剧变研究 则式中正割项趋于无穷，于是万值不定，从理论上说万可取任意值，把这类现象 称为丧失第一类稳定。其特征值问题归结为：使万值不定的最小尸力即为临界荷 载，而万值不定的充分必要条件是s e c 等一，即有肼= 刀，由式( 2 - 4 ) 给出的 临界荷载已仍为式( 2 1 3 ) ，与中心受压直杆的推导结果完全相同。 对于第一类稳定问题，由于不存在使压杆产生弯曲变形的初始因素，因此， 仅在轴向力作用下就不可能发生实际情况中的压弯现象，杆件中仅有轴向变形发 生。当尸 只，时，由于万恒等于零，压杆在直轴线形状下的平衡是稳定的，若给 予某种扰动( 例如受到微小水平力的作用) ，杆件发生了弯曲，但在取消了这种 扰动之后，压杆将迅速恢复到原来的平衡状态，这就是稳定平衡的特征。随着p 力在量的方面不断积累，平衡的形式将产生质变。在p = 只，时，若再给予某种扰 动，杆件仍将发生弯曲变形，但在扰动消失后，由于此时万为一不定值，故杆件 将不能回到原来的直线平衡形式，于是，原先的直线平衡状态成为不稳定的。其 失稳特征是：压杆的变形发生了性质上的突变，即原来的平衡形式称为不稳定的， 而可能出现新的与原来平衡形式有质的区别的平衡形式，同时，这种现象是带有 突然性的。 综上，根据压杆稳定的研究结果，受压的细长杆件其稳定问题分为两类，第 一类稳定问题存在平衡分枝点，即临界荷载只。当沿轴线作用的力小于p ，时， 杆件保持原来的直线平衡状态。此时，若有某种微小扰动，则杆件将发生弯曲， 而在取消这一扰动后，杆件又将恢复到原来的直线平衡状态。当作用力超过只， 后，一旦有微小扰动，杆件即转变为弯曲平衡形式，即使取消扰动，杆件仍将维 持弯曲状态。第二类稳定问题是指杆件受力后变形大大发展，不会出现新的变形 形式，由于变形的增大或材料的应力超过其取可值，杆件将不能正常工作。 温度应力下工作的海底管线也存在以上两种类型的稳定问题。第一类稳定问 题的关键是确定临界荷载只，或临界荷载只，对应的工作温度。对第二类稳定问 题，应按大扰动理论建立应变与位移的关系式，且在荷载达到临界值前，管线的 某些部分已进入弹塑性工作阶段，因此对此类问题的研究需借助有限元分析方 法。 2 2 2 铁轨问题 海底管线的屈曲剧变问题可类比于铁轨在温度应力下的变形问题。有关铁轨 问题的研究已经有几十年的历史。 一条普通的铁轨是由两条平行的铁轨线组成的，这两条铁轨线是由一定间隔 1 4 第二章海底管线的屈曲剧变研究 的枕木紧密相联系在一起的，并且他们是枕于被当作砂囊的砾石基础之上的( 如 图2 - 6 所示) 。铁轨的两个端处是通过螺栓和具有槽口的网状平板连接在一起的， 因而形成了可变的接合缝。 图2 - 6 铁轨 铁轨的长度为l ，温度变化丁，长度变化a l = 口丁三，因此，接合处的 空隙间隔会随着温度的变化而改变，即在冬天的时候增加，夏天的时候下降。当 温度上升到一定值的时候，这个空隙将自行闭合。如果温度进一步增加，就会在 铁轨内部产生诱使其屈曲的压缩应力。 可膨胀性接合点的存在会使铁轨产生结构上的削弱，并且，它会提高铁轨和 铁路的维持成本；会提高机动火车的能量消耗量；火车运行时在接合点处会产生 频繁、周期性的噪音，而这种噪音正是使大多数乘客感觉不安的主要原因。因而， 在铁轨建设的早期，一般通过增加铁轨的长度来消除一些连接点或者全部的连接 点。作为终极目标，运用焊接技术的铁轨产生了。 对于高速行驶的火车而言，采用连续的焊接铁轨是必须的。鉴于此，在过去 的十年内，全世界铺设了数以万计的焊接铁轨。然而，在炎热的夏天，连接点的 完全消除将会提高铁轨屈益的概率，因此有必要对铁轨的屈曲问题进行深入的研 究。 ( 1 ) 试验结果 在上个世纪，许多研究者已经对铁轨的屈曲问题进行了试验研究，许多试验 结果被国际和国内的铁路工程期刊所刊载。 第二章海底管线的屈曲剧变研究 在1 9 3 2 年，a m m a n n 和g r u e n e w m d t 3 2 l 开展了轴向力引起铁轨不稳定性的早 期试验研究。轴向力是通过两个可以承重达2 9 0 吨的液压千斤顶所施加的。加荷 载之前，用金属条把待测铁轨的连接空隙处填满，从而确保轨道的连续性以及避 免较大位移的产生。位于千斤顶附近的铁轨会被垂直预压，这样可以避免铁轨在 千斤项处产生屈曲。屈曲试验分别在木制轨枕和金属轨枕的b 型和k 型的铁轨上 进行。轨道的长度分别取1 2 ，1 3 ，3 0 和6 0 米。 在金属轨枕k 型铁轨的