（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）高温海底管道温度应力计算与屈曲模拟研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 随着高温高压海底管道的普遍应用，管道屈曲问题日益突出。我国的高温高压海底 管道一般采用双层管结构，而双层管温度应力计算与屈曲分析方法在国际上至今没有突 破，管道抗屈曲的设计成为双层管应用的一大难题。本文针对中国海洋石油总公司海底 管道的主要结构形式，对高温高压条件下海底管道的承载受力、屈曲失效和抗屈曲设计 进行了深入的理论分析和数值计算，阐述了不同结构高温高压海底管道的温度应力计算 与屈曲分析方法。 1 ) 就高温海底管道的温度应力计算，在概念设计阶段，本文发展了新的刚性连接 双层管道系统温度应力计算解析模型。该模型考虑了沿管道系统轴向的温度梯度和压力 梯度，并以第一类第二类虚宗量贝塞尔函数级数形式给出了系统轴向应力与环向应力的 显式表达，精确地反映了高温双层管道系统的实际应力应变状态，并适合与海床摩擦力 及管道末端膨胀弯力耦联求解。 在详细设计校核阶段，本文通过定义子结构单元避免了双层管道系统热膨胀分析中 相同结构刚度矩阵的重复计算，在现有的软硬件条件下将建模范围增加到整条管线，同 时首次实现了膨胀弯和管道的一体模拟，消除了截取建模带来的分析误差。 2 ) 就单层海底管道的高温屈曲问题，本文重点研究了高温管道屈曲分析的有限元 方法及控制管道屈曲形态释放高温轴力的预热屈曲埋设技术，就临界屈曲载荷的确定、 后屈曲强度分析、预热温度的选择及屈曲初始化的影响进行了详细阐述。本文将经典理 论解与有限元分析技术相结合，完整地分析出了高温管道的热屈曲过程，同时利用线性 模态组合进行网格扰动模拟了真实管道的初始铺设构形，增加了屈曲分析的实际意义。 3 ) 就高温双层海底管道的屈曲，本文的研究表明，热屈曲一般从内管开始，并依 管道系统的结构可能产生不同的结果，柔性连接系统更容易发生管道整体上的屈曲，因 此该类系统连接环板的间距选择应当充分考虑管道的热屈曲稳定性和后屈曲强度；刚性 连接系统不容易发生管道整体上的屈曲，但内管在环空中的屈曲可能向高阶模态跃迁从 而带来显著的应力集中，由此需要根据后屈曲分析结果限制环形空间的间隙。 本文首次研究了跨越双层管系统的垂向屈曲过程。分析结果表明，跨越构形的存在 相当于管道具有了垂向的初始铺设挠度，因此双层管系统跨越段发生垂向屈曲的临界载 荷低于其发生侧向屈曲的临界载荷；跨越管道段的垂向后屈曲不仅可能引发显著的应力 集中，还有可能发生模态跃迁，因此需要从稳定性角度对约束沉垫组所能提供的反力及 反力矩进行校核。 关键词：海底管道；温度应力；侧向屈曲；垂向屈曲 离溢海底管道瀑凌应办计算与震夔模拟研究 r e s e a r c ho nt h e r m a ls t r e s sa n db u c k l i n go fl i ts u b m a r i n e p i p e l i n e s a b s t r a c t 豫i sp a p e rf o c u so ns t r e n g t ha n db u c k l i n ga n a l y s i so f t y p i c a lc n o o cs u b m a r i n ep i p e l i n e s u n d e rh t h pc o n d i t i o n sa n dd e v e l o p e sa n a l y s i sm e t h o d so nm e r m a ls t r e s sc a l c u l a t i o na n d b u c k l i n ge v a l u a t i o no ft h e m 1 ) f o rt h e r m a ls t r e s sc a l c u l a t i o no fs u b m a r i n ep i p e l i n e s ，o nt h es t a g eo fb a s ed e s i g n ，an e w a n a l y t i c a lm o d e li sd e v e l o p e df o rn o n - c o m p l i a n tp i ps y s t e m s ，i nw h i c ht h ea x i a lg r a d i e n t so f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nt h ep i p e l i n ea r ei n c l u d e d ，a n dt h eh o o ps t r e s sa n da x i a ls t r e s sa r e e x p r e s s e db yt h es e r i e so fm o d i f i e db e s s e lf u n c t i o n so ft h ef i r s tk i n da n ds e c o n dk i n d 。 c o u p l i n ga n a l y s i sw i t ht h ef r i c t i o nf o r c e so ft h es e a b e da n de x p a n s i o ns p o o lf o r c e sc a nb e c a r r i e do u tb yu s i n gt h e s ea n a l y t i c a lf o r m u l a e f o rt h es t r e n g t hc h e c ko fd e t a i ld e s i g n ，r i n g p i p es u b s t r u c t u r ee l e m e n t sa r ed e v e l o p e d ，o n w h i c ht h es u b s e ap i p e l i n ea n de x p a n s i o ns p o o l sa tt h ee x t r e m i t i e sc a nb es i m u l a t e dt o g e t h e ri n o n ec e l l e l e m e n tm o d e ld e p e n d i n go nc u r r e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e s ，s or e p e a t e d c a l c u l a t i o n so fs t i f f n e s sm a t r i x e so fs a m er i n g p i p es e c t i o n sa n de r r o r si n d u c e db yt h e s i m p l i f i c a t i o no ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fa ni n t e r c e p t i o nm o d e la r ea v o i d e d 。 2 ) f o rs i n g l ep i p eb u c k l i n g ，n e wf ea n a l y s i sm e t h o d sa n d p r e h e a t e dr e s o l v i n gs c h e m e sa r e s t u d i e d ，m a i n l yo nt h eju d g e m e n t so fc r i t i c a lb u c k l i n gl o a d s ，p o s t b u c k l i n gs t r e n g t ha n a l y s i s ， p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r es e l e c t i o n sa n db u c k l ei n i t i a t i o nt e c h n o l o g i e s a tt h es a l t l et i m e ，a 荫d p e r t u r b a t i o nm e t h o db a s e do nb u c k l em o d e si sd e v e l o p e dt om o d e lp i p e l a yi m p e r f e c t i o n ，s o a ne n t i r es n a p t h r o u g hp r o c e s so f p i p e l i n eb u c k l i n gc a nb ea c q u i r e d 3 ) c o m p l i a n tp i ps y s t e m sh a v em o r er i s ko fb u c k l i n ga saw h o l e ，s ot h ed i s p o s i n gd i s t a n c e o fr i n gp l a t e sc o n n e c t i n gt h ec a r t i e rp i p ea n dt h ej a c k e tp i p es h o u l db es e l e c t e dc a r e f u l l yt o k e e pt h e r m a ls t a b i l i t ya n dp o s t b u c k l i n gs a f e t y n o n - c o m p l i a n tp i ps y s t e m sg e n e r a l l yw o u l d h a r d l yb u c k l ea saw h o l eb u tt h ec a r r i e rp i p em a yb u c k l ei nt h ea n n u l a rs p a c e , s ot h e p o s t b u c k l i n gp r o c e s so ft h en o n - c o m p l i a n tp i ps y s t e m sn e e dt ob ef u l l ye v a l u a t e da n dt h e r e a s o n a b l ep r e s e r v i n gc l e a r a n c ei nt h ea n n u l a rs p a c es h o u l db er e c o m m e n d e d 。f o rt h ef i r s t t i m e ，t h eu p h e a v a lb u c k l i n go ft h ec r o s s i n gp i ps y s t e m ss e c t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h ea n a l y s i s r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep o s t b u c k l i n go fs u c hs e c t i o nm a yi n d u c eh i g hs t r e s s e s ，e v e nam o d e t r a n s i t i o n ，s or e a c t i o nf o r c ea n dm o m e n to ft h ea n c h o r i n gm a t t r e s ss h o u l db ec h e c k e d 。 k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e ；t h e r m a ls t r e s s ；l a t e r a lb u c k l i n g ；u p h e a v a lb u c k l i n g 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论丈中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：遗啦 日期： 呈! 叠：! 曼1 7 大连理王大学博士磅究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影审、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 佟者签名：颐墼天盔 佟者签名： 型盔兰釜 导师签名： 兰三茎三 盟年尘月上e t 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 论文选题的背景和意义 海底管道是海洋油气输送的主要方式之，由于具有较高的经济效益在海上油田的 开发中得到了广泛的应用，但同时其安全性也一直是人们关注的焦点，一旦泄漏将带来 油田停产、水下维修、环境污染等诸多棘手问题。海底管道可能出现的失效方式有屈服 强度失效、稳定性失效( 失稳或屈曲，包括局部屈曲和整体屈曲) 、疲劳和断裂四个方 面。对于稳定失效行为，从局部来看，管道属于薄壁壳体，可能出现局部失稳；从整体 来看，管道属于杆件，可能出现整体失稳，即欧拉失稳。 对已经就位的海底管道来说，管道所承担的载荷取决于很多因素，主要包括铺设载 荷、环境载荷和工作载荷。具体地，这些载荷可以看作是如下变量的函数：铺设预张力、 输送压力、温度载荷、载荷历史、波流载荷、海底几何形态及海底摩擦、管沟自然回填 状况等。对一条具体的海底管道，很难准确地获得某一时刻在某一位置的轴向载荷，但 从普遍意义上来讲，约束条件下管道输送流体的温度与压力是最主要的轴向载荷原因， 尤其当输送流体温度超过1 0 0 ，流体压力接近或超过i o m p a 时，载荷在管道内引发较 大的轴向力几乎是不可避免的，而温度引起的管道轴向力既不允许也很难通过管道的 轴向伸长来释放，却很可能以管道整体失稳的形式加以释放，此即海底管道的屈曲。 图1 1 显示三分之一以上的北海管道遇到过屈曲失效问题，图中每个点代表一个管 道项目，其中三角形标志表示该管道出现过屈曲，图1 1 同时表明，尽管已经充分了解 高温管道的屈曲原因，很多管道项目却仍无法避免屈曲导致的失效。这主要是因为，从 流动保障的角度出发，为了避免原油中的石蜡在管壁上沉积及水合物的形成，管道所输 送介质的温度需要保持在一个最低的限度以上，所以高温对介质输送有利，却给管道结 构带来了屈曲问题。 现行的海底管道规范均对管道的热稳定性提出了要求，工程上对管道热稳定性的检 验一般是在详细设计阶段实施的，此时管道的设计温度荷载已经明确，钢材壁厚选择和 等级选择都已经完成，屈曲分析一般是用来进一步检验管道的安全性。但是在某些条件 下，屈曲也可能成为管道设计的控制因素，比如深水条件下一般难以对管道进行挖沟埋 设，此时高温管道项目能否得以实施，关键就在于能否保证高温荷载下管道的热稳定性。 世界各石油公司为此作了大量的研究，在进一步完善屈曲理论的同时也获得了很多工程 上的成功，这些管道要么成功地避免了管道热屈曲的发生，例如提高管道刚度、增加管 道约束、采用双层管道或冷却输送介质：要么成功地释放了管道内的温度应力，例如采 高温海底管道温度应力计算与屈曲模拟研究 用热补偿器、蛇形铺设管道或设法增加管道内的预拉应力。工程上的成功证明了海底管 道屈曲研究的价值，同时新的高温管道项目也对屈曲研究提出了更高的要求。因此研究 海底管道屈曲发生的机理，探讨热荷载作用下管道屈曲的分析方法及新的高温管道抗屈 曲方案具有现实的工程意义和较高的理论价值。 图1 1 北海油气管道的屈曲事故 f i g 1 1t h eo c c u r r e n c eo fp i p eb u c k l i n gi nn o r t hs e a 1 2 高温海底管道的基本设计目标 管道内介质温度高对其流动有利，但增加了管道结构的设计难度：反之，降低管道 内的介质温度可使管道结构设计相对简单，但又可能导致石蜡沉积及水合物的形成，或 者难以满足停输检修所需的时间要求。随着管道长度和水深的增加，这一矛盾就更加突 出。 工程上，管道的保温方法分为被动保温和主动保温。被动保温结构主要包括：单层 保温管和双层保温管。主动方法包括：直接对管壁通电加热，通过管外电缆或循环热介 质间接加热。工程中一般避免采用主动保温方法，而是寻求有效的结构设计提高被动保 温的效果。从结构设计角度来看，高温管道主要需要解决以下困难： 1 ) 较大的端部位移，该位移可能导致立管底部或管道与水下井口连接处受力过大； 2 ) 管壁应力腐蚀速度的增加： 3 ) 高轴向力引发的垂向屈曲或侧向屈曲。 大连理 一火学博七学位论文 尉此对高温海底管道束说，水确地训算出热荷载作用f 管道的形变及温度应力，判 断管道可能发生的热崩曲并分析h 管道的历膈曲形变及应力状况有着重要的 程意义， 这些分析的结果将直接决定高温管道能安全地承于h 介质输送任务， 1 3 高温海底管道的典型失效案例 面对高温荷载下管道可能发生屈曲的风险，管道设计人员开发并应用了各种有效的 方法，其中大多数获得了成功，但也有些管道出现了严重的屈曲甚至破坏，下面介绍 三个典型的高温管道失效案例。 131p e tr o b r a s 单层高温管道破坏 p e t r o b r a s 管道铺设于沼泽地带及g u a n a b a r a 海湾，将炼油厂9 2 高温稠油输送 至港口，该管道长1 5 k m 外径为1 6 in ，壁厚为79 m m ，由a p ix 5 2 钢制成，并有混凝土 外包层。该管道投入使用后不久，在g u a n a b a r a 海湾边界地区凼上覆软土被冲刷管道发 生侧向屈曲并破裂( 见图l2 ) ，屈曲引起的最大侧向位移达到了45 m 。该管道最终被 废弃，取而代之的是一条蛇形铺设的新管道。 图12p e t r o b r a s 管道的侧向屈曲和破裂 f i g1 2 b u c k l i n ga n d f r a c t u r eo f p e t r o b r a sp i p e 132r o l fa g o r me 油气混输管道接头开裂 北海d ar l l s h 区块1 7 k m 长的r 0 1 fa g o r me 油气混输管道由8 i n 的输送内管( 外往 86 2 5 in 壁厚【43 帅，材料为a p ix 5 2 钢) 和高密度聚乙烯外管组成，管问为2 i n 厚 的聚氯酯泡沫层( p u f ) ，聚乙烯外管外还有2 i n 厚的混凝土配重。改管道于1 9 8 5 年曼川 常规方法铺设在北海，当地水深4 0 m ，管道埋深1 15 m ，1 9 8 8 年1h 投入使用，输送介 质温度为8 2 c ，在1 9 8 6 年的年榆中，在距离r 0 1 f 平台o 3 公里处发现管道暴露出) 母床 11 m ，即发生r 幅度为26 n ，的垂向屈曲。该管道埋啦前曾遭受过渔船拖刚的剐蹭，损 高温海底管道温度应力计算与屈曲模拟研究 伤位置达1 0 余处，而随后的修复过程很可能留下了垂向的初始变形。在屈曲发生的位 置，聚乙烯外管的现场接头处出现了5 0 m m 的空隙，导致该接头的密封作用失效( 见图 1 3 ) ，同时发现管间p u f 被压缩到只有原来厚度的一半，为防止海水进入保温层，屈 曲位置的6 节管道被更换，并在上方堆积碎石以防止管道再次屈曲。 现场接头 o2 6 m 5 5 m53 0 m 图1 3 聚乙烯外管现场接头开裂 f i g 1 3g e o m e t r yo ft h re x p o s e dp i p es e c t i o n 1 3 3e r k s i n e 双层高温管道破坏 e r k s i n e 是英国大陆架开采出的第一个高温高压油田。e r s k i n e 管道长3 0 k m ，水深 9 2 m ，由1 6 i n 内管和2 0 i n 外管构成，设计温度为1 5 0 ，为避免屈曲破坏，该管道在海 床上被铺设成蛇形。 该管道于1 9 9 7 年底投入使用，2 0 0 0 年1 月8 日因压力降低而中断生产，在随后的 调查中发现，该管道一处严重破坏，另外还有九处发生了外管损伤。e r k s i n e 管道破坏 的原因被分析为：尽管管道被铺设成蛇形，但高温引发的侧向屈曲未能全部发生在设计 的位置上；另外管道侧向屈曲的发生幅度与管道一海土间的相互作用程度密切相关，原 设计中采用的海土参数不合理，低估了后屈曲过程的管道应变。整条管道随后被彻底更 换，新管道的结构与旧管道相同，但被埋入了海床，且应用预冷设备将输送介质温度降 到了1 2 0 c ，新管道于2 0 0 0 年1 1 月底投入使用至今。 1 4 高温海底管道的研究现状 高温管道发生垂向或侧向屈曲的影响因素主要包括：管道及输送介质的水下重量、 土壤约束力、管道随海床起伏变化的初始构形、管道的抗弯刚度、管道内介质的温度及 管道的边界条件等，各国的学者对这些设计因素进行了研究。 大连理工大学博士学位论文 1 9 8 4 年h o b b s 发表了评价管道屈曲的论文，由单层管道的垂向屈曲及1 - - 4 阶模态 的侧向屈曲推导出了计算相应屈曲波长、屈曲轴力和屈曲位移幅值的解析公式，这些结 论后来得到了普遍认可和广泛引用。h o b b s 和l i a n g 在后来的研究工作中，应用该方 法解决了半无限长管道的热屈曲问题晗1 。t a y l o r 与g a n 进一步研究了管道铺设初始挠度 对其屈曲特性的影响口1 。这些工作的求解过程均是在管道屈曲小坡角变形的假设条件下 实现的，事实上，类似梁结构的欧拉失稳，高温管道的热屈曲是具有几何非线性的大变 形过程，屈曲过程中海床摩擦力或上覆海土的约束作用也是非线性的，因此应用上述工 作发展的解析公式描述高温管道屈曲过程时一般具有较大的误差。从工程应用的实际效 果来看，线性解析公式对热荷载下管道是否安全的评估往往过于保守，因此这些公式仅 适用于单层管道屈曲发生的判断，当管道结构发生变化，或是要考察管道的后屈曲效应 时，这些公式显然是不适用的。 1 9 9 9 年b a o s e 与白勇研究了海床上海底管道的在位稳定性，考察了铺设应力、环 境载荷、工作载荷以及海床形态对海底管道在位稳定性的影响h 1 。他们的有限元模型是 根据某条实际管道的三维调查数据具体构建的，尽管研究的重点不是管道的热屈曲， b a o s e 与白勇的工作为未埋设海底管道的屈曲研究开辟了道路。 2 0 0 4 年j u n e sa v i l l a r r a g a 等人结合海土本构关系，发展了分析埋设管道与上覆 海土之间相互作用的有限元模型，该模型能够考察非线性海土约束作用下含初始挠度管 道的垂向屈曲变形晦1 。尽管研究局限于单层管道的小变形垂向屈曲，但是j u n e sa v i i l a r r a g a 等人在管道屈曲分析中考虑了非线性边界条件的影响，具有积极的意义。 对于输送距离较长、输送原油粘度较高的海底管道来说，具有较好的保温性能是管 道安全输送的关键，外置保温层的单层管道有时难以满足绝热要求，海底管束输送技术 应运而生。管束技术将一根或数根管道安装在同一个外管内，并在内外管道之间设置支 撑填充绝热材料，使管道的保温性能和安全程度大为提高，其中的典型结构为管中管结 构( p i p e i n p i p es y s t e m s ) ，该结构管道一般由内层输送管和外层保护管构成，两层管 的环形空间中填充绝热材料以起到防止热量损失的作用，高温输送过程中内管一般承担 着较高的温度载荷，外管的温度则接近环境温度，因此需要将内外管连接以保证承载后 内外层管道轴向变形的同步，此时热荷载将会引发施加在连接构件上的剪力，该剪力在 限制内管的轴向伸长的同时在外管内引发拉应力。根据结构形式的不同，连接构件可以 分为刚性和柔性两类，典型的是b u l k h e a d 连接或环形板连接，双层海底管道也因此被 分为两种典型结构。 结构的改变，带来了高温海底管道热轴向力计算与屈曲研究的新课题。 高澡海底管道凝寝应力计算与霪麓模拟研究 2 0 0 4 年a 。b o k a i a n 在简化连接构件约束的基础上推导了针对双层海底管道的强度 计算公式哺1 ，其推导方法乃是基于各种荷载应变的线性叠加，所获得的解析公式仅适用 予在管道末瑞进行b u l k h e a d 连接的双层海底管道结构。 1 9 9 9 年m a v a z 与m h p a t e l 提出了计算双层保温管道属曲失稳的解析公式h 1 ， 对双层保温管道的挠曲线方程、平衡外力、侧向位移耦合方程进行了联立求解。他们针 对耦合方程组推导特征值解为双层管道的弹性稳定性分析开辟了途径，但是其推导结果 如果用来描述管道屈曲的实际状态尚存在有不足，主要表现为以下几个方面：首先耦合 方程组源囱对双层管系统的受力分析，但是没蠢考虑对海底管道失稳有较大影响的海床 摩擦力的作用；其次在求解过程中，假设了内外管层是可以同轴相对转动的，这与双层 海底管道沿一定间距设置b u l k h e a d 约束内外管的实际结构不相符合：最后，在其耦合 方程组中没有引入与管道失稳密切相关的管道初始不完整性参数，因此他们的研究成果 迸难以应用于双层管的抗屈曲设计。 2 0 0 2 年，b o r e a sc o n s u l t a n t s ，t w i 和c a m b r i d g e 大学共同发起了j i p 项目( j o i n t i n d u s t r yp r o j e c t ) ，该项目被命名为“s a f e b u c k ”或“t h es a f ed e s i g no fh o t o n - b o t t o mp i p e l i n e sw i t hl a t e r a lb u c k l i n g 臻1 。该项謦的研究成果认为，管道属越 的发生主要由以下3 个参量控制：管道中的轴力、管道的不直度( 0 u t 一0 f s t r a i g h t n e s s ， o o s ) 与侧向约束。尽管只有3 个控制参量，键是每一个参量却涉及很多实际的变量， 使得其真实大小存在很大的不确定性。j i p 项园评估了屈曲形成机理并且分析了屈曲形 态控制的主要因素，并试图通过在屈曲初始化技术和屈曲形态控制技术荫个方面的成果 来指导工业界利用管道内可控制的适度屈曲释放轴力从而达到避免突然性别烈属曲的 目的。分析技术方面，j i p 项目在概念设计阶段发展了新的分析模型，将现有的基于钢 材弹性极限的分析模型发展为涵盖第一塑性载蘅分析和后续弹性周期载荷分析功能的 新模型：在详细设计阶段，j i p 项目认为非线性有限元技术仍是其解决方案的最主要分 柝手段。尽管获得了大量鑫勺研究成果，除了给出了高温管道屈越分析的建议外，j i p 项 目仍然没有给出双层海底管道屈曲分析的直接方法。 5 高温海底管道研究面临的主要困难 现有的管道设计规范虽然都详细地描述了管道温度应力的计算方法，但都是以单层 篱为对象的，丽我国海洋工程领域输送高温度介质的结构主要是双层管。对双层管来说， 管道的内外管可以仅在终端固联在一起，也可以分段固联，在管道内外压、覆土、温度 等载荷的作用下，加上管道两端受到膨胀弯、立管及海床摩擦力的限制而不能自由变形， 管道的受力状况会非常复杂，当前规范对此并没有明确地给出具体的计算方法，这给设 一6 一 大连理工大学博士学位论文 计部门和校核部门带来了很大的麻烦。在屈曲评估方面，尽管多数规范都明确了高温管 道需要迸行热荷载稳定性评估，但也都没有明确给出具体的评估指标和方法。实际上， 热载荷下管道的稳定性分析与管道温度应力的计算是不可分割的，只有准确地分析出热 载荷下管道的应力状态才可能准确预测管道屈曲的发生，另一方面，管道屈曲发生的过 程本身是轴力释放的过程，尽管屈曲发生后管道内总轴力会下降，但弯曲应力与热荷载 引起的轴向应力叠加后很可能导致压应力局部集中，甚至引发屈服。 综合上所述，海底管道高温输送最大的问题就在于热荷载作用下高轴向力引起的屈 曲失稳及由此引发的屈服，此时单纯地增加管道壁厚是无法解决管道稳定性问题的，这 就需要充分研究热荷载下管道屈曲发生的机理进而提出有针对性的解决方案。各国学者 为此作出了很大的努力，取得了一定的进展，但离设计和评估的要求尚有很大差别，要 彻底解决还需进一步的研究，主要体现在以下几个方面。 1 5 1 准确计算温度应力的困难 海底管道的温度应力计算，特别是双层海底管道的温度应力计算，长期以来并没有 得到很好的解决。轴向应力应变是高温管道对所承担荷载的最主要响应，也是管道强度 校核的最主要分析对象。现有的分析方法多是针对截取的管道段建模，往往因为边界条 件难以事先准确地给出，又忽略了膨胀弯的刚度，致使分析结果具有很大的误差。另外， 多锚固连接( 连接构件可能是刚性的b u l k h e a d ，也可能是柔性的环板) 高温双层管道在 设计阶段的强度计算至今仍然没有很好的解析公式，现有的解析公式无法实现任意连接 间距下的温度应力计算，给内外管锚固连接的间距设计带来了困难。 1 5 2 屈曲后屈曲分析的困难 高温管道的屈曲主要由以下3 个参量控制：管道中的轴向力，管道的不直度 ( o u t 一0 f s t r a i g h t n e s s ，o o s ) 与侧向约束哺1 。除了难以准确地计算出高温管道的温度 应力外，铺设不直度的存在以及管道侧向约束的非线性使得高温管道的屈曲分析更加困 难。尽管各船级社规范均明确了高温条件下海底管道屈曲分析的必要性，却又都没有给 出详细的分析方法。 到目前为止，得到普遍认可的关于双层海底管道屈曲特性和分析方法的研究成果尚 未出现。 1 5 3 抗屈曲设计的困难 基于上述原因，高温海底管道的抗屈曲结构设计以及各种高温解决方案的设计实施 实际上都面临着很大困难，例如，很多抗屈曲设计或解决方案试图通过多数量、长波长、 高温海底管道温度应力计算与屈曲模拟研究 低幅度的轻微屈曲释放管道内的轴向力，以达到避免局部管道发生剧烈破坏性屈曲的目 的，这些技术在理论上都是可行的，但如果对一条具体的管道进行实施，那么必须回答 什么程度的屈曲对该管道来说是可以接受的，屈曲后该管道能在多大程度上释放轴向 力，管道中各屈曲部分之间是否能够保持稳定性而不发生汇合和模态跃迁，这些问题的 解决都依赖于准确的管道热屈曲过程分析以及以此为基础的管道屈曲评估技术。 1 6 本文获得的研究进展 就高温海底管道的温度应力计算，在概念设计阶段，本文发展了新的刚性连接双层 管道系统温度应力计算解析模型。该模型考虑了沿管道系统轴向的温度梯度和压力梯 度，并以第一类第二类虚宗量贝塞尔函数级数形式给出了系统轴向应力与环向应力的显 式表达，精确地反映了高温双层管道系统的实际应力应变状态，并适合与海床摩擦力及 管道末端膨胀弯力耦联求解。在详细设计校核阶段，本文通过定义子结构单元避免了双 层管道系统热膨胀分析中相同结构刚度矩阵的重复计算，在现有的软硬件条件下将建模 范围增加到整条管线，同时首次实现了膨胀弯和管道的一体模拟，消除了截取建模带来 的分析误差。 就高温管道的屈曲分析，本文针对不同海底管道结构提出了新的分析方法，这套分 析方法是建立于已发展成熟的可靠的计算方法基础上。主要过程如下，首先应用特征值 屈曲预测的线性扰动算法获取管道结构的屈曲模态，进而应用管道结构诸屈曲模态( 或 其线性组合) 扰动第二步屈曲分析的理想网格，获得管道最初的不完整构性，第二步屈 曲分析则为边界非线性条件下的几何大变形失稳分析，为管道在热荷载作用下的屈曲过 程分析。本文所发展的方法不仅能够涵盖管道初始不完整性的影响，更能够准确地分析 设计荷载下管道后屈曲的应力应变过程，为实现海底管道屈曲的高温解决方案奠定了基 础。应用这套方法对西江2 3 - 1 管道、文昌5 条管道( w e 8 3 a 至w e l 4 3 a 、w c l 4 3 a 至 s t p 、w e l 5 1 a 至s t p 、w c l 9 - 1 a 至s t p 、w c l 9 - 1 1 3 至w c l 9 1 a ) 和惠州3 条管道( h z l 9 2 至p l e m 、h z l 9 2 至h z l 9 3 、h z 2 5 - 3 1 ) 进行的屈曲评估均获得了比较可靠的评估结果， 通过了第三方船级社的审核。 就高温管道的抗屈曲设计，本文将模态分析技术与非线性屈曲分析技术相结合，首 次给出了屈曲初始化后任意铺设挠度下高温管道的热屈曲分析方法，并以此为依据给出 了预热屈曲埋设高温解决方案的预热温度选择图版，并从理论角度探讨了该技术实施过 程中屈曲初始化的影响及最小预屈曲间距的选择方法。 大连理工大学博士学位论文 2 高温双层海底管道系统的温度应力计算 如前所述，高轴向力是高温海底管道的典型特点，也是其发生屈服和屈曲的主要原 因，但是与轴向力相关的温度应力的计算，对双层海底管道来说却远并不如想象的简单。 首先从结构角度讲，双层海底管道的内外管层依靠刚性构件或柔性构件连接，承载变形 十分复杂。其次双层海底管道一般应用于高温高压条件，内外层管道的应力应变状态复 杂。最后是边界条件的复杂，在滑移段，管道受到海床摩擦力的约束；在末端，管道受 到膨胀弯变形力的作用，而管道滑移段长度与膨胀弯变形量是与管道热载荷直接相关的 未知量。 2 0 0 4 年a b o k a i a n 在简化连接构件的基础上，基于各种荷载应变的线性叠加，推 导出了末端刚性连接双层海底管道的温度应力计算公式。但a b o k a i a n 的解析公式是在 大量简化的基础上推导出来的，尤其是对内外两层管道问连接的简化，仅考虑了管道两 端的连接而忽略了管道中部内外管连接的约束作用，这使得解析公式分析结果的准确性 受到了很大的影响。最终a b o k a i a n 解析公式在设计部门没有得到认可和采用。目前由 于缺乏准确的高温双层海底管道温度应力计算公式，国内外的海底管道设计部门遇到了 很大的困难。 而在校核阶段，应用有限元进行高温双层海底管道温度应力分析也同样面临困难。 这主要是因为：对连接强度校核要求管道模型为壳单元或者体单元构建，而准确地分析 热荷载作用下管道的轴向伸长量则需要包括海床对管道的摩擦阻力，这就需要模拟足够 的管道长度。若想进一步分析出管道两端膨胀弯的约束作用，就必须构建整条双层管道 的有限元模型了。实践证明实现这样的模拟目标是很难的。 应用壳单元构建管道模型，为确保分析的质量，管道的圆周至少要布置2 0 个以上 的单元，而有限元法单元协调性要求沿管道轴向这些单元的长度一般不能超过其宽度的 1 0 倍，所以模拟足够长管道所需要单元的数量和计算迭代的次数将是惊人的，本文对此 也作过简单试验，应用s 4 r 壳单元模拟管结构，应用非线性弹簧单元模拟管道与海床之 间的摩擦力，现有的计算机软硬件大约可以支持1 0 0 0 米左右单层管道有限元模型的计 算分析，而要实现长距离双层管道的模拟分析是不可能完成的。因此必须对双层管道结 构温度应力计算的有限元模拟方法进行改进。 综上所述，无论从理论角度，还是从工程需要角度来讲，高温双层海底管道的温度 应力计算都是亟需解决的难题。 高温海底管道温度应力计算与屈曲模拟研究 2 1 双层管道系统的典型结构 双层管道系统一般由输送内管和保护外管构成，并在两层管的环形空间中填充绝热 材料起到防止刚性连接系统的热量损失的作用。传统的管道防腐涂层和阴极保护系统也 会在双层管道系统中采用。应用双层管道系统输送高温介质时，内管的温度为介质温度， 外管的温度一般接近环境温度，相比普通的单层管道，沿输送方向双层海底管道的温度 梯度是比较小的。 双层管道系统可以分为两个大的类别，即刚性连接系统( c o m p l i a n ts y s t e m s ) 和柔 性连接系统( r l o l q c o m p li a n ts y s t e m s ) 。 刚性连接系统的内外管层是通过b u l k h e a d 进行连接的，管道路由上b u l k h e a d 的布 置间距一般很远，例如中海油绥中3 6 - 1 管道的b u l k h e a d 间距为2 0 0 0 m 。在b u l k h e a d 位置处内外管的连接是刚性的，荷载的传递是不连续的。刚性连接系统的环形空间可能 需要阻水装置，用以避免外管遭到破坏时海水长距离地填充环形空间。典型刚性连接系 统的结构简图见图2 1 ，其中b u l k h e a d 为刚度很大的铸造件，为环形，中间允许输送介 质通过，其侧面翼缘分别与内外管层焊接。 图2 1 典型的刚性连接双层保温管结构 f i g 2 1t y p i c a ln o n - c o m p l i a n tp i p e - i n - p i p es y s t e m s 柔性连接系统在很近的间距上( 例如5 个焊接单根长度上) 用环板将内外层管道连 接起来，即在整条管道中以连接环板替代b u l k h e a d ，并起到阻水的作用。热荷载作用下， 柔性连接系统的内外管层将同步膨胀，荷载的传递更接近连续，典型柔性连接系统的结 构简图见图2 。2 大连理工大学博士学位论文 图2 ，2 典型的柔性连接双层保温管结构 f i g 2 2t y p i c a lc o m p l i a n tp i p e i n p i p es y s t e m s 2 2 刚性连接双层管系统温度应力计算新模型 剐性连接双层管系统鲍结构形式和承载状态都很复杂。轴向上，内管的在温度赫载 的作用下发生热膨胀，推动b u l k h e a d 使管道发生轴向伸长，并在外管内引发拉应力； 而管道系统的轴向伸长会引发系统与海床之间的摩擦阻力，共作用在外管上，同时管道 系统末的端膨胀弯也必然会发生一定程度的变形，给管道的膨胀施加一定的约束力。径 向上，管道系统主要承担介质的输送压力和外部的环境压力，少数管道系统对其环形空 间也进行了聪力设计。上述荮载搜双层管系统在海床上沿轴向分为锚雷段和滑移段，在 锚固段内管道系统不发生轴向位移，温度应力不会得到释放：在滑移段内管道系统发生 一定的轴向位移，温度应力 寻以部分释放。 剐性连接系统沿管道轴向一般会布置有几个到十几个b u l k h e a d 对内外管的相对运 动加以约束，因此问题本身属于高次静不定问题，只有合理地补充相应条件才能使控制 方程组封闭。另外，管道滑移段的长度，即海床摩擦力的作用范围以及膨胀弯力的大小 在分析过程中均为未知量，这也给问题的求解带来很大困难。 2 2 1 剐性连接双层管系统的控制方程和边界条件 双层海底管道的温度应力计算属于热弹性问题，求解过程即需要包括管道轴向上的 热膨胀分析，也要考虑内外压力给管道带来的环向应力改变，因此其控制方程应该是空 间轴对称平衡微分方程，即： 高温海底管道瀑发应力计算与矮曲模拟研究 o c t r + 皇三互+ o + r - - 0 0 + f ：r 0 o r出厂 ( 2 1 ) 一0 0 z + 堕+ z + r z + f ：0 瑟爵r + 引入张量表不的热弹性力学的物理方程： 毛= 旦笋一筹屯串翻呜 ( 2 2 ) 毛2 寸一暑气串嬲呜 眩_ ， 或嚣2 g 气+ 屯o s 殷一a t ) ，其中夕：鼍，f ，歹，k = 1 ，2 ，3 ( 注：本小节。 。 l z y 中以y 表示泊松比，为拉梅常数) ， ，双层海底管道的边雾条件可以表示如下( 其中下标c 表示志管c a r r i e rp i p e ；f 标 ，表示外管j a c k e tp i p e ) 。 1 ) 双层管道系统的位移边界条件： 在双层管系统的锚固端，爱l 有，h ) ：= 。= k ) 脚= 0 设在热载荷作用下管道末端伸长量为a l ，则有：l = k x ：= 设双层管系统的滑移段长度为三，则有：厶巳d z = 厶乞，c 如= h i 2 ) 双层管道系统的应力边界条件： 外管外壁承担环境静压荷载，b ) ，；如，= 一a ； 外管内壁承担环空静压荷载，b ，鼻确，= 一； 在双层管系统的滑移段，外管外壁承担海床摩擦力，可将其视为沿管道轴向的均布 剪威力，因此有k ，l ：= 罴，三 z 三一t ，这里取管道膨胀伸长方向为 正，厶为管道与海床之间的摩擦系数。 内管承掇介质输送静压荷载，因此有应力边界条件，c j ，：嚣一匕，c ，p d ，c 为内管 设计内压；虑管外壁承担环空静压荷载，慨，c 工。鼢= 一。 3 ) 内外管之间的协调条件 刚性连接系统的b u l k h e a d 刚度很大，在b u l k h e a d 位置处内外层管道总是具有相同 的轴向位移，因此可以认为管道路由上内外管的轴向位移( z 方向) 是处处一致的。 2 。2 2 刚性连接双层管系统温度应力计算额模型 1 ) 新模型定解问题的提出 热弹性轴对称趣题麓物理方程以矩阵的形式可以表示为i 】= 囟婚】k ，其中 p 】为轴对称条件下的材料常数矩阵，旁，p 】： 五十2 , u 蠢 0 名 a 磊+ 2 , u o 2 0五 o蠢 2 0 0 足+ 2 2 ；k 】为 温度应变；五， 为拉梅常数， 即旯= 硐e v ， =g=丽e2v 。 i l 十v l j2 i 】+ i ，i 羲热膨胀系数与坐标方向无关，则 e 0 】= f o ，z 牯搿0 口r ，那么热弹性轴对称 问题的物理h - 程为： d ，= q 名，置t + 冀岛一a t ( 2 窿+ 3 2 ) 体竺蔫爱二笔