（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）滩海水域管道提吊受力分析与程序开发.pdf

中文摘要 海底管道铺设过程的重要环节是分段管道运输到预定地点后的焊接。此过程 中，通过不同方式将海底管道提吊到船舶甲板，实施分段管道与管道，或立管接 头与管道之间的焊接。在这一过程中，管道一端置于海底，另一端提起悬空，中 间存在有一段很长的悬跨段，有大挠度变形以及复杂的环境和工作载荷，由此导 致管道的弯曲变形很大，会产生很大的弯曲应力极易造成管道的严重破损。因此 需要在管道提吊施工前，充分考虑和计算分析管道吊点的布置方式，以及管道可 能发生的变形和强度问题。 。悬跨段海洋管道实际上是一个几何非线性、弹性大变形梁问题，在施工过程 中，由于管道的悬跨长度及离地点的位置是未知的，故增加了该类问题的求解难 度。本文在借鉴学者们对管道力学性质所取得的研究成果的基础上，根据大挠度 梁理论建立了海洋管道的平衡微分方程，提出了管道单点提吊力学分析以及两点 提吊作业分析，并利用迭代计算求解出不同提吊高度下的管道离地长度。同时， 考虑海流和波浪对管道的作用，利用m o d s o n 公式对提吊管道弯曲微分方程组进 行了修正。此外，本文利用多项式插值函数建立了管道多点提吊力学模型，对管 道多点提吊施工进行了力学分析，提出了不同吊点时管道应力和变形计算分析方 法。开发了管道提吊过程计算机程序，用于指导吊点设计和施工。本文利用 n e t 软件，借助其强大的面向对象编程功能和图形用户界面技术，开发了“滩 海水域海底管道提吊力学分析呲w s 应用程序，实现对海底管道单点和多点 提吊施工作业的计算机辅助设计。 结合实际工程计算分析，验证了方法和程序的正确性和可行性。 关键字：滩海水域管道铺设海管提吊几何非线性程序开发 a b s t r a c t i nt l l ep r o c e s so fp i p el a y i n g ，也em o s ti m p o r t a n ts t 印i st 0w e l dt h es e c t i o n a l p i p e l i l l e sw h i c ha r em m s p o n e dt 0t h ep r o i e c t e dd e s t i n a t i o n i n 也i sp r o c e s s ，s u b m a r i n e p i p e n e sm l 塔tb eh o i s t e dt ot h es h j pd e c ki nd i 丘b r e n tm e t h o d s ，a n dw e l d e dw i 也o t h e r s e c t i o n a li i p e l i n eo rr i s e r sj o i n t i n 血i ss t a g e ，o n ee n do f 血ep i p e l i n ei sp u to n 也e s e a n o o r a n o t h e re n di sh l m gi nt h ea 垭粗ds u s p e n d e dp a r to ft l l ep i p e l i n ei sv e r yl o n g a tt h i st i 如屺，t h ep i p e l m eh a sv i o r yl a 瑁ed e f l e c t i o n 觚dc o m 口l i c a t e de n v i r o n 】咀e n t a l 孤1 d s e r “c el o 锄曲，i tm a k e st h ep i p e l i n eh a v el 锄g eb d i n gd e f 0 n m t i o na r ms 订e s s i n t e n s i t y ，s o 也ep i p e l i n ei se x 仃e m e l ye 鼢rt ob ed e s 仃0 v e ds 嘶o u s l y t h e r e f b r e ，w e m _ u s t 池加o r ei m p o n 锄c et ot h ea 订a 玎g e 屺n to fs u 墨p e n s i o np o i n t s ，a n dc a l c u l a t e 也e d c f o 衄a t i o n 趾di n t e l l s 岫p r o b l e mo ft h es u s p e n d e dd i p e l i n e s i nf k t ，t h e 叫s p e n d e dp i p e l i n eh 嬲n o n l i n e a rp r o p e n yi 1 1g e o m 曲皿ds h o u l d b ea n a l y z e db ya ne l a s t i cb e a 峪w i t l l l a r g ed e f o n n a t i o n i nt l l ec o n s 伽l c t i o n p r o c e s s i l l g ，b e c a 璐et h er i s i n gp i p e sl e n g t h 衄dt h ef 0 r c e so ft h et 0 c hd o 、v np o i n ta r e u n l o w nd 1 埘n gt h er i s i n 譬。口吼t i o n s i tm a _ k e st h eq u e s t i o nm o r ed i 伍c l l l tt os o l v e b a l s e do nt l l er e s e a r c hp r o d u c t i o nt h a tt 1 1 es c h o l 嬲k 以a t t a i n e db e f 0 r e ，加da c c o r d i i l g t 0t h et t l e o r yo f 也eb e a mw i 也l 盯g ed e f l e c t i o n ，i nt h i sa r t i c l e ，i tb 血l d sad i 丘：渤t i a l e q u a t i o no ft 1 1 em e c h a n i c so fp i p e l i l l e ，p r e s 如t sam e t h o dt os o l v es i n 9 1 ep o i n tn n i l l g a n dd o u b l ep o i n tl i 蜘m gp 嘎o b l e m ，a n du s ei t e r a t i v ec o m p u t a t i o nt oc a l c l l l a t em el e n 擘血 o ft h el i f 妇gp i p e l i l l ea td i 妇f - e r e n t 五s i i l ga l t i t u d e a n dt h e n ，i tm o d i 丘e st h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i 叩o fp i p eb e n d 证gb yu s eo fm o r i s o nf c 咖叭l at oc 砌l 1 l t et l l ew a v e 孤1 d c 1 】r i 。e n t se 丘- e c t b e s i i e st h a t ，am u i t i p o 血l i r i n 2m o i i e li sb u i l t ；也ed e f l e c t i o n 龃d f o r c ed i s 仃i b u t i o 璐i l le v e r yl i r m gs t a t ea r eo b t a i n e db yl l s i i l g 弛i n t e r p o l a t i o n p o l l o m i a lm e t h o d f i i l a l l y ，b vu t i l 泣i n g 山em i c r o s o rn e w e s ts o f b a r e n e t k m g u a g e ，w h i c hh a sg r c a tc 印a b i l 埘o f0 0 p 锄dg ，髓di 1 1 t e g m t i n gm a n yk i n d so f c o m p 山玎t e c h n o l o 百e s ，a 呲w sa p p l i c a t i 叩p r o 弘i mh 部b e e nd c v e l o p e di nm i s t h e s i s ，锄dh o p et 0i m p l e m e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g no fp i p es i n g l e l i r i n ga n d m u l t i - l i f m l gc o 枷c t i o n b yp 瑚l c t i c 2 l le n 霉曲e e 血gc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，i tv 耐f i e s 也ee x a c t i t u d ea n d f e a s i b i l i 西o f t h em e t h o da n dp r o g r a mi n 也i st h e s i s k e yw o r d s ：e x 订e m es h a l l o ww a t e r l a y i l l gp i p e l i i l e ，1 i r 访gp i p e l i i l e ， n 伽【l i n e a u rp r o p e r t yi 1 1g e o m e 缸y ，d e v e l o p i i l gp r 0 乒a m 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，也不包含为获得丞鲞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。 学位论文作者签名：往碧、签字日期：叫年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权鑫洼盘鲎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：笈幺 签字日期：扫，夕年彳月日 导师签名： ，f 勿月f 日 天津大学硕士论文第一章绪论 1 1 本文研究的意义 第一章绪论 随着海上石油工业的发展，海上油气运输越来越繁忙，海底管道在油气运输 中的作用日益突出，已广泛应用于海上油田的开发。例如：从井口到平台的管线； 提高油田采油率的注水管线；介于平台之间的传输产品的管线；有主干线到岸上 或近海储油设施之间传输产品的管线；有海底到海洋采掘船之间的输送管线等 等。据国外专家统计，某些发达国家的管道油气运输方式约占油气运输总量的三 分之二之多，油气的管道运输从原油、天然气的生产、精炼、储存及到用户的全 过程起到了重要作用，管道运输作为油气运输最快捷、经济、可靠的一种重要方 式，把海上油田的整个生产紧密的联系了起来，成为保证油田的正常运转的重要 一环。 而滩海水域铺设海底管道是一项十分困难、复杂的工程，需要根据施工现场 和管道的具体情况，选定适合的施工方法并进行详尽的施工设计，其中，管道受 力分析和强度分析是施工设计中的重要阶段。海洋管道工程作为一种新兴技术工 程，施工步骤很多，主要包括有管道在岸加工和焊接，管道拖运，管道提吊连接， 管道下沉铺设以及挖沟埋设等多个施工阶段，在每个步骤中又包含有不同的施工 方法和状态，所以在管道施工中需要进行受力分析的内容很多。而在诸多力学分 析中，管道在铺设下沉和提升过程中的变形及受力分析是其中的关键问题。在提 升或下沉阶段过程中，海洋管道一端置于海底，另一端提起悬空，中间悬跨段较 长，并且受力复杂，弯曲变形很大，为了保证海洋管道在铺设过程中的变形控制 在弹性变形范围内，不发生屈服现象，需要对处于不同高度的管段进行受力分析， 以确定管道的变形情况，或改变施工参数以保证管道的变形控制在弹性变形范围 内，所以对该悬跨段管道力学性质分析是海洋管道施工分析的关键。在实际施工 过程中，由于管道的悬跨长度及离地点未知性，再加上悬跨段海洋管道实际上是 一个几何非线性、弹性大变形梁问题，所以这类问题必须通过迭代的方式进行求 解，三十多年来，国内外许多学者研究了这个问题，并提出了一些计算方法。 然而，目前研究较多的问题主要集中于管道从水面下沉到海底过程中的受力 分析，而在实际海底管道施工和维修中，还经常需要将沉入海底的管道提升至海 面，对管道或立管接头进行焊接、检查以供继续铺管或维修。而这一阶段，由于 管道在吊起时也同样存在有大挠度变形以及复杂的环境和工作载荷，管道将会产 天津大学硕士论文第一章绪论 生很大的弯曲应力从而使管道极易受到严重破损，因此，这一阶段的力学分析对 于海底管道的铺设、施工至关重要。 1 2 国内外管道力学研究现状阎【6 】同嗍【9 】【1 1 】【1 7 】 海洋管道在铺设过程中的变形实际上是大挠度、非线性、弹性变形，属于几 何非线性问题的范畴。其基本方程是非线性平衡微分方程，解决这类问题的方法 很多，如非线性有限元法、有限差分法、小参数法，刚性悬链线法等等，这些方 法在求解精度、求解时间及适用范围方面也各自存在局限性。 国外从5 0 年代开始对海洋管道的力学性质进行研究，到7 0 年代达到高峰。 在这一段时期，提出了许多计算方法，有些己应用于实际施工过程。美国开发了 通用的海洋管道分析程序，用于实际生产，并且通过了美国船级社和挪威船级社 的认可。这套软件是利用大挠度梁理论建立管道的基本微分方程，并利用非线性 有限元法通过迭代求解分析管道悬跨段的力学性质，目前还在不断的改进中。文 献【1 7 】利用微段平衡的方法建立了管道收弃管作业过程中管道的微分平衡方程， 采用有限差分法分析管道的受力及变形，采用线积分法分析钢缆的受力，这种分 析是针对于收弃管作业的全过程的，在假设作业过程中管道最大弯矩的前提下， 综合管道和钢缆的位置变化，分析并得到了船的运动情况。【8 】美国的 a h m o u s s e l l i 博士指出管线在下放到海床的过程中可以区别出两个区域：即拱 弯区( o v e r b d ) 和垂弯区( s a 曲e n d ) 。前者主要应该通过控制拱弯曲率半径来保证 管线中的最大弯曲应力不超过8 5 的最低规定屈服应力( m s y s ) ，且现在已经有 了精确分析拱弯的计算机程序和完善的方法。【1 3 】 自从8 0 年代初以来，国内对海底管道悬跨段力学性质的研究则一直在继续， 出现了一些计算方法，但是其计算速度、精度以及通用性三者之间的关系仍没有 得到很好的解决。这一阶段，关于本课题的研究工作主要有：黄玉盈等在海洋 管线铺设时的静力分析【5 】中从弹性杆理论出发，建立了管道受力的基本微分方 程，根据工程实际建立了管道脱离点于托管架的几何关系，以及受力平衡关系， 利用小参数法求解了管道二维静力问题。顾永宁在海底管线铺管作业状态分析 峥j 中介绍了铺管状态计算的扩展的刚性悬链线方法，通过反曲点与升离点的关 系，将只可用于下凹段的刚性悬链线方法扩展到包括上凸段在内的s 型铺管的全 部管长，并且利用有限差分法对管道曲线进行迭代求解，并对铺管作业参数之间 的无因次关系进行了研究。詹侃等在海底管道在铺设过程中的二维静态分析 p j 中将管道二维静态问题视为大挠度非线性、两点边值问题，利用微段平衡的方 法建立管道的微分平衡方程，并假定管道的初始变形为一已知的悬链线，用逐步 天津大学硕士论文 第一章绪论 积分法求得结果。戴英杰等在海洋管道铺设过程中的力学性质及相关技术的研 究嗍中，根据大挠度梁理论建立海洋管道的微分方程，利用b 样条函数模拟管 道变形的角度曲线，采用加权残数法之配点法将管道的微分方程化简为一组非线 性方程组，来求解收弃管作业下的非线性方程组的解。邢静忠等在海底管道强 度、寿命评估及其可靠性技术研究【9 j 中基于管道微单元体平衡，建立了海管单 点提升的非线性力学模型的控制微分方程组，使用变弧长的无量纲代换将动边界 问题化为固定边界的两点边值问题，利用两点边值问题打靶法得到了该问题数值 解。这些文献利用不同方法对管道的二维及三维静力问题进行了研究，并得到了 很多重要的结论。为了能够对实际提吊过程中的管道受力进行分析，为管道提吊 施工给予一定的指导、提高施工效率，本文将以相关文献所获得的理论分析为基 础，利用编程软件编写海底管道提吊受力状态和强度分析程序，实现海管单点及 多点提吊的力学计算。 1 3 管道力学分析方法 目前对海底管道在铺设和施工中弯曲构形和应力分析的理论方法主要有以 下三种： 1 、小挠度梁法 这是最原始最基本的方法，对浅水小挠度管道的铺设较为适用。它把管道视 为一根梁，管道任何地方上的变形皆视为小挠度，这样就可以把管道当作一根线 弹性梁，按线性梁理论进行分析。 型“l 出 r ：土；宰：垂：一丝 p d s 凼c 2e l 基本弯曲方程： 日窘一瓦窘+ = 。 ( 1 - - ) 用漂浮法，且流力很小时，张力可以忽略，则有 鄹辔：一m ( 1 2 ) 斑。 式中，一管道水下单位长度重力，由空气中重力减去水中浮力所得，称为负 浮力 日一管道弯曲刚度 天津大学硕士论文 第一章绪论 死海床切点处管道张力，r = 瓦+ 既d d 工作水深( 忽略工作船舷高) 石、y 直角坐标 边界条件视求解的工况而定，一般情况下： 曲线为j 型： y ( 。) - 0 ，妾( 。) - o ，窘( 0 ) = 吣亿) = 日，窘( 2 ) = 。( 1 - 3 )戤傲。出。 曲线为s 型： y ( o ) - 0 ，妾( 0 ) 0 窘( 。) = 吣乜) = 日，窘伍) = m ( 1 卅 戤积一 豇 2 、非线性梁法 将管道铺设时的垂向变形视为大位移，则管道的几何非线性被考虑，而管道 内部的应变量是微小的，材料不出现塑性变形，属于大位移小应变问题。该理论 仍把管道视为梁，按梁的理论求解几何非线性结构。在大挠度几何非线性梁的弯 曲中，西出，搴粤，曰害，而窆：t a n 秒，目：a r c t a n y ，。 a sc d c戤戤 r ：! ：塑： p c l s 垡! 竺塑丛鱼： 兰： 出凼 h + ，) z f 在浅水中铺管，张力可以忽略，弯曲方程为： e ，厶_ = 一m( 1 - 5 ) ， b + ) 2 f 在深水中铺管，应考虑张力，并以目、s 为变量表达管道弯曲方程： 日辨c 曰窘h e c 2 口警一 ( 1 - 6 ) 凼l 凼2j ” 凼 尸 、7 式中，j 一管道水面点距海床切点的曲线长度 口一管道任一点切线与水平线的夹角s i n 目：掣 由于几何非线性问题的平衡方程式是用变形后的位置来描述，而变形后的几 何位置即管道悬空段每一端的位移是未知的，所以还需要一个解悬空段长度的附 加边界条件。通常假设悬空段为悬链线或某种其它曲线，按边晃值问题来求其数 值解，常用的有：有限差分法、非线性有限元法、逐步积分法等，此外，在一些 文献中还提到利用平行打靶法、边界配点法、小参数法等对大挠度非线性问题进 行求解。 天津大学硕士论文第一章绪论 3 、悬链线方法 将水面到海底这段管道变形后的形状用悬链线来描述。这无疑更逼近管道的 实际状况。在全悬链线理论中，忽略流体力时，结构受力和构形方程如下： 。石：旦眦c 。s h ，型+ 1 y = 孙s h ( 等一) ) 曰：眦伽f 里+ c 、i s ：互s i n h f ，到 ( 1 - 7 ) 这些都是针对柔性结构而言( 日0 ) 。当管道直径较小，或铺管张力较小 时，相对刚度可忽略，联系前面非线性梁弯曲方程，令日= 0 ，即得 = 瓦s e c 2 秒警，此方程解为目= a r c t a n ( 写 + c ) 这就是常见的悬链线基本方 窗l 。， 程，c 为积分常数，当海床为水平时，c = 0 。这种忽略管道刚度的悬链线方法 称为自然悬链线法。 当必须考虑刚度时，管道弯曲微分方程可表示为 占2 望二孚+ 矽，j c o s 口一s i n 乡：o ( 1 8 ) 这是一个导数项带有小参数占的非线性二阶常微分方程。在水深较大或张力 较高时，占2 1 ，一般用数值方法来求解上述方程。这种考虑弯曲刚度( 日) 的方法常称为加强悬链线法。 悬链线方法适用于水深较大时管道垂弯段的受力分析。加强悬链线与自然悬 链线比较，前者更能满足弯曲管道的边界条件，给出管道构形的精确结果，尤其 在管道上端边界更符合工程实际情况。 1 4 本文的主要工作 本文在吸取以前学者们的研究成果的基础上，基于悬跨段管道的变形为弹性 大变形这一基本特点，对管道在单点和多点提吊下的力学性质进行了分析，同时， 利用编程软件，编写了管道力学分析程序，实现对管道提吊施工的计算机辅助设 计。 天津大学硕士论文第一章绪论 本课题主要工作有： l 、利用管道近似线性方法对提吊过程中管段的变形和力学性质进行分析， 确定管道在离地点处的边界条件，并给出程序计算的边界假定条件。 2 、基于学者们的研究成果，对管道提吊过程中引起的大挠度问题进行研究， 建立悬跨管段的弯曲微分方程，并利用平行打靶法通过迭代求解管道在j 型和s 型提吊过程的变形曲线，以及提起管道长度。 3 、针对管道单点s 型提吊过程管端弯矩值过大的情况，对两点提吊计算分 析进行研究，确定中间吊点的位置和高度，并通过迭代求解管道在此过程下的变 形曲线，进而确定管道力学性质。 4 、利用文献中以及本文中对管道力学性质的分析方法，为管道单点和多点 提吊力学分析开发快捷可靠的计算机算法，实现管道计算的数值模拟。 5 、利用v b n e t 软件编写程序界面，并编译生成“滩海水域海底管道提吊 计算程序”w i n d o w s 应用程序实现数据保存、力学计算、管道校核和结果输出等 功能。 天津大学硕士论文 第二章环境载荷与管道校核 第二章环境载荷与管道校核 2 1 作用于海洋管道的载荷 作用于管道的载荷有工作载荷和环境载荷以及偶然载荷等。工作载荷是指在 理想状态( 即无风、无浪、无海流、无冰情、无地震等环境载荷作用) 下，管道 所承受的载荷；环境载荷是由风、波浪、潮流、冰、地震和其它环境现象产生的 载荷；偶然载荷一般包括船舶的碰撞、拖网渔具的撞击和坠落物的撞击等。 工作载荷包括： ( 1 ) 在位状态的工作载荷：重力、压力、胀缩力、预应力等 ( 2 ) 安装状态的工作载荷：包括重力、压力和安装作用力。 海洋管道( 包括立管) 所受的载荷，根据其类型、来源、作用时期和性质等，综 合列于表2 1 中 表2 1 海洋管道所受载荷 载荷来源重力 环境施工建造使用运转 载荷类型 重力s 浮力s d 阻力s d s ( 牵引力) s 浮托力s ds d 惯性力d 张力s ds d 弯曲与扭转s ds 外压 s ，d ss 内压ss d 冲击力dd d 振动力ddd 压缩力 s d s ，d s d s 一静力性质的载荷 d 一动力性质的载荷 天津大学硕士论文 第二章环境载荷与管道校核 由于海洋管道所处环境条件恶劣多变，所以构件受力复杂。为保证海洋管道 工作安全，其载荷的确定至关重要。在确定海洋管道的载荷时，除了明确各种载 荷外，还要研究载荷的组合。载荷组合的基本原则是：针对所选定的管道系统的 设计状态和载荷条件，进行可能同时作用于管道上的各种载荷的最不利组合，但 地震载荷不与其它环境载荷组合；对同一管道系统的不同构件或管段( 管道、立 管、接岸管段) 及其所处不同条件( 铺设、拖曳、埋设、吊装、连接、运输、运 行和修理等) ，按实际可能同时出现的不利载荷情况进行组合。在组合时，如水 深是一重要参数，则应考虑水位变动的影响。通常有下列几种载荷组合： ( 1 ) 管道正常运行状态的工作载荷与相应的环境载荷 ( 2 ) 管道施工安装、铺设时的工作载荷与相应的环境载荷 ( 3 ) 管道正常运行状态的工作载荷与地震载荷 对于双层管结构，内管与外管的受力状态必须分别进行组合计算。 本文中的载荷及其组合主要是考虑海管在由海底提升至海面过程中所受到 的载荷。由于管道提吊施工一般会选取在海况较好、风平浪静的天气条件下进行， 因此，所受外载荷主要来自于管道白重、浮力、吊点提吊力以及管外水压引起的 工作载荷组合，一般可以忽略环境载荷与偶然载荷。但在某些需要考虑环境影响 的时候，可以依据短期的天气预报确定自然环境载荷，如海流和波浪对管道悬跨 段的影响。 2 2 海底管道施工环境载荷 2 2 1 波浪力计算 2 - 2 1 1 波浪区段的划分 在考虑波浪对海底管道作用时，沿管道轴线的水深地形等因素有不同的变 化。根据水深的不同，可以将管道划分为三个区段。 浅水区段：水深d o 0 4 的浅水区段，其中，d 为水深、三为波长。在这 区段内波浪在水深、地形的影响下变化剧烈，波浪向岸边推进时，出现破波，并 在岸坡附近形成上爬的击岸水流。 过渡区段：水深0 0 4 工 d 0 5 三的过渡水深区段，在此区段内波浪由浅水 波向深水波过渡。 深水区段：水深d 0 5 上的深水区段，在这区段的海底对波浪的影响已较小。 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 2 2 1 2 波浪对管遭的作用力 当波浪传播方向与管道轴线相垂直时，作用于管道单位长度胡上的波浪力 包括有沿波浪方向上的波力蟊和垂直于波浪方向上的波力以，其中，每一项 都包括有拖曳力昵和惯性力犯。由于管道的几何尺度相对于波长比较小，管 道的存在可视为不改变流场的效应，因此，关于波浪力的计算，完全可以应用莫 里森( m o r i s o n ) 方程求得，假设此时管道轴线处于水平位置，根据莫里森方程 可以求得水平波浪力碾和垂直波浪力以。 蠊= 砑矗+ 磁0( 2 一1 ) = 去c d 夕材，b ，l d 刃 ( 2 2 ) 峨= c 吵等等讲 ( 2 - 3 ) 况= 峨，+ 略+ 幔 ( 2 - 4 ) 胡乙p = 去c 。p ”：陋：i d 硼 ( 2 - 5 ) 吗= 。吵警譬讲 ( 2 6 ) 妮= 去c 工p ”，2 d 胡 ( 2 7 ) 其中，c d 为拖曳力系数 c 为惯性力系数 c 。为浮托力系数 d 为管道外径 材，为波浪水质点的水平分速度，“：为垂直分速度 冬为波浪水质点的水平分加速度，警为垂直分加速度 o ia t 妃为管道浮托力，对水平管道来说，浮托力方向向上；而当管道轴线与 海底存在较大夹角时( 特别是对立管来说) ，浮托力作用很小，可以 忽略。 由于近海底的波浪水质点的垂直速度：和垂直加速度鲁均较小，故织y 与y 可以忽略不计。 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 2 - 2 1 3 波浪理论 用上述美里森万程计算海j 氐雷遭上的坡裉力，存征看两个主要i 叫题： ( 1 ) 如何确定波浪水质点运动的水平分速度和水平分加速度 ( 2 ) 如何选取水动力系数c d 、c 吖、c 水质点运动的速度与加速度是根据波浪理论确定的，而不同的水深又需适用 不同的波浪理论，因此，根据不同的水深选取相应的波浪理论来进行计算才合适。 一般来说，在深水区可以使用线性波理论，以及斯托克斯波理论；过渡区段可选 用孤立波理论或椭圆余弦波理论；在浅水区段用破碎波理论。 因此，根据不同的水深选择不同的计算方程进行计算： 相对水深在兰去的浅水区段： 甜= 鲁括c o s 护 ( 2 - 8 ) 粤：竽导。i n 口 ( 2 - 9 ) a t t 、ld ? 。 其中，矽：孕( 相位角) ，日为波高；丁为周期，f 为时间；d 为水深；g 为重 力加速度 相对水深在去 兰 三之间的过渡区段： ”= 譬譬鼍群c o s 秒 弘 2 三 c o s h l 2 刀d i 、 塑：盟! 竺些宰些醯i 1 1 目( 2 - 1 1 ) a 工c o s h ( 2 硝l 、7 相对水深在兰三的深水区段： 甜：堕p 警c 。s 口 ( 2 1 2 ) 甜= 一p lc o s l z l z 害：2 h 2 e 孚s i n p ( 2 - 1 3 ) a f l 丁 、7 其中，z 表示管中心至海面的距离，在此是以海平面为原点，水面以下为负值。 由于不同的波浪理论对波长的规定是不同的，因此，在不同水深中，波长的 计笪拍不同! 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 在浅水区段： 在过渡区段： 在深水区段： 其中，厶为深水波波长。 l = t 厨 三= 鲁蛐( 2 石 l 上 l 咆= 譬 ，“ 一一矗曩 上一，晕| 瞳长鼍 ! 二苎苎垫= 曼女煎童 图2 1 波长、波高随水深不同的变化 2 2 1 4 水动力系数c d 、c ，、c 的确定 ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 目前，对于水动力系数的选取仍比较困难，根据实验所得到的数据也极为分 散，主要是参考雷诺数r e = 堕、克里根卡彭特数胛= 警和管子表面粗糙 矿w 度系数七= 来选取。其中， ，为海水的运动粘度；岛为管子外径；z ，为管子 o 周围水体的运动速度；r 为波浪周期；p 为管子表面的绝对凹凸度。裸置在海底 的管道，根据莫塞利( a h m o u s s e m ) 在海洋管道设计分析与方法一书，建议 设计时采用的水动力系数值，对表面轻微粗糙的情况下如表2 2 所列。 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 表2 2 水动力系数建议值 r e、cdc c l r e 5 0 1 0 4 1 32 o 1 5 5 0 1 0 4 r e 1 o 1 0 5 1 2 2 01 0 1 0 1 0 5 i k 2 5 1 0 51 5 3 一| 2 0 1 2 一| 3 x 1 0 5 5 1 0 5 2 5 1 0 5 r c 5 o 1 0 5 0 7 2 5 5 一| 5 1 0 5 0 7 5 o 1 0 5 r e 0 71 50 7 至此，对各水动力系数建议选用值为：拖曳力系数c 疗= 0 7 1 2 ；惯性力系 数c w = 1 5 3 5 ；升力系数c ，= 0 5 1 o 。 2 2 1 5 海底管道波浪载荷实际计算方法 海底管道波浪载荷计算时，需要确定最大波浪载荷及波浪力的方向，为便于 海底管道载荷的计算，海底管道采用如下简化计算方法： ( 1 ) 最大波浪力的近似计算 在计算水平波浪力以时，虽然它等于水平拖曳力与水平惯性力之和 峨= 讲k + 讲，但是，等式右边的两项并不在同一时刻出现最大值。因此， 在计算最大水平波浪力瞑一时，不能用分别求得的最大水平拖曳力抒矗一和 最大水平惯性力讲一直接相加，必须求出某一时刻的最大水平力。 ( 2 ) 关于波浪力的方向 前边所述的莫里森方程计算的波浪力，都是假定波浪的速度方向是垂直于管 道轴线方向的，而在实际的施工过程中，不可能保证管道轴线与波浪速度相垂直， 而当与波浪速度方向成一定的夹角时，首先应分别对波浪水质点的速度与加速 度进行分解，分解为垂直于管道轴线和沿管道轴线的两个分速度和分加速度，再 进行计算。 2 2 2 海流力计算 通常所称的海流是一综合流，即是指由不同原因所产生的各种类型的海水合 成流动。近岸海流一般以潮流和风成流为主。在某些位置和某种情况下，其它类 型的海流也可能相当显着。本程序中主要考虑潮流对管道的作用。 海流的水质点速度，较之波浪水质点速度变化缓慢得多，所以海潮流可认为 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 是定常水流，它对海底管线的作用仅为拖曳力和浮托力，不考虑惯性力的作用。 当海流传播方向垂直于管道轴线时，作用在单位长度讲，直径为d 的管线 上的海流力也可以根据莫里森公式求得，拖曳力和浮托力分别为： 1 矗r 驴= c 胪凹豁三刃( 2 1 7 ) 融d h c2 ：l d c 印弘乏d l u 。l | ) 二 1 峨c = q c ；讲( 2 1 8 ) 二 式中，“，为海潮流速度 c d c 、c l c 分别为海潮流作用的拖曳力系数和升力系数，可参照波浪理论 中的水动力系数。 与波浪力相同，浮托力在管道轴线与海底( 或海面) 夹角很小时作用明显， 而当存在很大夹角( 特别是立管) 时，作用可以忽略。 2 3 管道结构强度设计与计算 海洋管道强度设计与计算，主要是研究海洋油气管道金属材料抵抗载荷作用 及变形的问题。目前是在满足生产工艺要求和安全输送的条件下，在有关规范允 许范围内，充分合理的发挥管道金属材料的能力。 2 3 1 管道抗弯几何特性计算 从管道的使用要求、运行条件、安全输送及其耐久性，以及管道的保温、防 腐、保护和改善管体受力与配重等要求来看，海洋管道的断面结构有两种基本形 式：即单层管结构和双层管结构。单层管结构比较简单，由管梁以及内部和外部 的涂层及加重层组成，在计算管道惯性矩时可以看作圆管截面进行近似计算。对 于双层管结构，由于存在有内管与外管的联结，因此，对于惯性矩的计算需要考 虑不同的联结形式。在本文中，对于内外管间的联结主要考虑两种形式：一是内 管与外管之间可以自由移动的套式连接，此时，可以认为只有外管承受外压以及 管道弯曲引起的弯曲应力，内管则承受管内流体温度变化引起的温度应力和应 变，对于这种管道惯性矩的计算，仅需要用外管的惯性矩来近似代替即可；二是 在内外管套式连接的基础上在内外管间灌注胶凝材料的全线固结连接，此时，由 于内外管间完全连接，内管也将参与承受弯曲应力，因此在计算管道惯性矩时需 将管道看作内外管不发生相对位移的复壁钢管结构进行计算，其间灌注的材料可 以不做考虑。对于内外管分段间隔固定的联结形式，需根据管道联结的具体形式 进行具体分析后分别对内外管进行计算。 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 2 3 2 管道允许的最小弯曲半径l r 】嘶。 弯曲轴向拉应力也最大。在内侧则承受轴向压应力。 管壁弯曲时管壁外缘纤维伸长量为： ，口= ，2 一 ( 2 1 9 ) 她( r + 譬) 小风 单位长度的应变= 等，并分别将出口、代入可得 铲譬：彖 弘2 。， 2 盲2 嚣 ( 2 。2 故管道微冷弯时管壁外缘纤维引起的轴向拉应力为 以铲鲁 ( 2 - 2 1 ) 图2 2 管道简单弯曲情况 式中：为微弯曲管段的弯曲中心角；r 为微弯曲管段的弯曲半径：d o 为管外 径；毛为微弯曲管段的单位弯曲应变：e 为管道金属材料的弹性模量；盯占： 为管道微弯曲时引起的弯曲轴向拉应力；出口为微弯曲管段管壁的外缘最 大变形量。 天津大学硕士论文 第二章环境载荷与管道校核 在弹性限度范围内的管道允许的最小弯曲半径陋】曲， 此时，弯曲应力为管道金属材料的许用应力： c r 】曲= 砜2 c c r 】 可由式( 2 2 1 ) 进行推算， 式中：b 卜一管道金属材料的许用应力 域一管道外径 e 一管道金属的弹性模量 利用此最小弯曲半径，可以作为对管道弯血校核的参考。 2 3 3 弯曲管道中的应力 ( 2 2 2 ) 管道在弯曲时，处在圆弧的管壁最外缘的伸长量最大，所产生的弯曲轴向拉 应力也最大，在内侧则承受轴向压应力。当已求得管道变形后各点的弯矩时，根 据材料力学，可以获得管道各点的弯曲应力为 仃：芸：竽 ( 2 2 3 ) c r = 士一= 士一 l z z j l 矿j 、 2 3 4 压力引起的管壁应力 本节中所述的压力为管壁内压，即内部流体对管道的压力，当管道在外压作 用下时，管壁应力计算与内压作用时一样，但应力方向相反。 2 3 4 1 管壁环向应力盯，i 管路在内压作用下，管壁的受力如图2 3 所示 由图的平衡条件得知： 图2 3 管壁环向应力 p 。d j = 2 f 。仃p l ( 2 2 4 ) 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 所以， 仃，i = 尸d 2 f = 踢2 ，一尸 ( 2 2 5 ) 式中，仃。钢管管壁由内压引起的环向应力 p 一管路内流体压力 d ，仇一分别为管路的内径和外径 f 钢管管壁的计算厚度 2 3 4 2 管壁剪切应力( 径向应力) 矿。3 薄壁管路中内压引起的管壁剪切应力很小，其值最大只能等于流体在管路内 的最大工作压力或水压试验时的压力，即仃。，= 仃一。它与环向应力和轴向应力 相比，径向应力显得很小。所以，在内压引起的管壁应力计算中，常忽略径向应 力，即在环向应力和轴向应力这两种双向应力作用状态下工作。 2 3 4 3 外压引起的管壁应力 管道受到的外压为： = 盔+ 巳 ( 2 2 6 ) 式中，反一水深，海面至管中心高度 晶一压块等施加于管道上的外压。 当管道在外压作用下时，管壁应力计算与内压作用时一样，但应力方向相反。 2 3 5 管道强度计算 在管道设计中钢管强度的计算，是将压力产生的管壁应力和钢管弯曲产生的 管壁应力，根据可能同时产生的条件和状态，把各向应力分别叠加，再按使用的 强度理论来核算。如轴向应力可由下式得出： 仃2 = 仃p 2 仃口2 ( 2 - 2 7 ) 式中，：为压力引起的轴向应力 ：为弯曲引起的轴向应力 图2 4 管道三向应力 天津大学硕士论文第二章环境载荷与管道校核 关于管道的强度分析，这里我们采用能量理论作为分析依据进行计算 ( 2 2 8 ) 在管道强度设计中，可以根据钢管受力分析，求得管壁的各向应力仉、仃，和 吼，以及它们的合成应力盯，依据海洋管道技术规范研究管道钢材的相应的许 用应力。通常按简单拉伸试件的屈服极限盯为基础，考虑相应的安全系数，得 到材料的许用应力i 盯l 即生：m 玎 。 当合成应力盯满足仃b 】，管道强度得到满足，可认为管道在该工况下强 度方面是安全的。 对于双层管结构，内管与外管的强度设计应分别考虑：外管主要承受外压和 管道微弯曲的弯曲应力，有时根据内、外关联结构也会承受温度应力等；内管主 要承受内压和温度应力，以及管道自重引起的弯曲应力等。 2 3 6 海底管道梁稳定性计算 2 3 6 1 屈服强度计算与衡准 对于管道系统的任何部位，设计内压与最小外压之差引起的管壁环向应力 仃。不得超过许用应力。 当管壁中存在明显的轴向应力和切向应力时，以等效应力作为判断是否屈服 的准则。等效应力为： 吒= 仃；+ 砰一盯2 q + 蠢 ( 2 2 9 ) 吒= 仃；+ 町一盯2 q + 西 【z y ， 式中，矾一环向应力 仃，一轴向应力 盯，一切向应力 式( 2 2 9 ) 中等效应力吒与屈服应力盯，比较，判定屈服强度是否满足要求。 2 3 6 2 管道屈曲计算与衡准 管道截面扁平或翘曲折皱超过规定的限度，称为管道屈曲。按管道上载荷和 支撑情况，可能出现以下两种屈曲形式： ( 1 ) 在外区、轴向力和弯矩作用下管道产生局部屈曲 ( 2 ) 由于管道局部屈曲或类似损伤后，在外压作用下引起局部屈曲扩张 管道应具有足够的抵抗能力，防止在最不利载荷组合下产生局部屈曲失稳。 天津大学硕士论文 第二章环境载荷与管道校核 在进行局部稳定性校核时，管道外压应按设计高水位时的静水压计算；雷道肉 压以零计算。管道屈曲计算如下： 1 、局部屈曲 在无更精确的计算方法或试验资料时，轴向应力与环向应力共同作用下的组 合应力，可用下面允许组合应力临界条件： b 卜睡 - 仁3 。， 式中，仃，= 仃，+ 仃，轴向应力 仃，：盟为轴力引起的轴向应力，压应力为正，拉应力为负 仃，：丝为弯曲引起的轴向应力，压应力为正，拉应力为负 ：箜+ 譬 ( 2 - 3 1 ) 其中，一当单独作用时的临界轴向应力 f = 盯，肖d 万2 0 ) 盯号t = 仃，( 一。( 詈一2 。) ) ( 当2 。 詈 名，其中，e ， 为屈曲扩张压力，按整体失稳的塑性功的研究可得： 厶1 1 5 矾( 去j ( 2 3 3 ) 天津大学硕士论文第三章管道力学计算 第三章管道力学计算 本文对管道的力学计算主要包括四个方面：单点线性近似计算；单点非线性 计算；两点非线性计算以及多点线性插值近似计算。在本章中通过对管道单点线 性计算结果的讨论，确定了管道离地点处的近似边界条件以及相关参数的选取， 并以此作为其他计算中简化管道边界条件的假设前提。同时，本章的最后对算法 进行了研究和讨论，确定算法在管道提吊计算中的可行性。 3 1 管道计算符号规定 q ml ll m f l u j 一 一 j 卜 o 图3 一l 符号规定 如图3 一l 所示，本程序中各物理参数符号规定如下： 梁挠度y ：以向上为正方向 断面转角曰：以逆时针方向为正。 断面弯矩膨：在左断面以顺时针方向为正，在右断面以逆时针方向为正 断面剪力q ：在左断面以向上为正，在右断面以向下为正 断面轴力：在左断面以向左为正，在右断面以向右为正 均布力g ：以向下为正方向 天津大学硕士论文第三章管道力学计算 3 2 管道单点提吊线性近似计算【9 】 平直放置在弹性海床上的海底管道，在端部的提升力作用下被提升离开海 底。假设管道的弯曲刚度日，在海水中的单位长度重量为g ，提升力f 作用下 的提起长度为口。考虑弹性海床的刚度为七。，忽略波流力对管道作用，利用小挠 度线性理论，分析海底管道在离地点附近的变形和内力分布，并以此导出在什么 条件下可以忽略弹性海床的变形，将离地点附近的离地条件简化为转角为零和弯 矩为零。 3 2 1 提吊力学模型 由图3 1 ，