径向压力作用下非粘结柔性管极限承载力研究

摘要

随着能源需求不断增加，油气资源的开采逐渐从陆地和浅海向深海进军，海洋立管与海底管道作为其中重要的工程装备面临着更多挑战。由于自身结构和材料特点，非粘结柔性管（注:后文均简称为非粘管）有着较强的抗拉、抗内外压承载力以及较小的抗弯刚度，相比于传统钢管有更优良的弯曲顺应性和耐腐蚀性，成为深海油气管线很好的选择。而在环境条件复杂多变的深水或超深水中，控制超过非粘管自身极限承载能力的失效模式是非常重要的，一旦失效发生可能引发一系列工程事故，造成不可估量的经济损失和环境污染，因此需要对非粘管极限承载能力进行深入研究，以便后续有效地指导非粘管设计。本文主要研究的是内外压力载荷下非粘管的截面力学性能，包括非粘管在外压下的压溃破坏及内压下的爆破失效。对于压溃破坏，重点研究外护套破损后外部压力作用在非粘管内护套外壁时的湿压溃模式，本文将该问题简化为非粘管内层的受限屈曲问题;对内压爆破，采用了原型截面的三维模型进行数值模拟，研究影响非粘管爆破压力的因素。具体来说，本文的研究内容主要包括:
　　(1)受弹性限制的圆管外压屈曲理论研究。分析总结了圆管在外压下的屈曲理论，使用弹簧约束模拟外层限制，利用势能原理推导了受弹性限制的圆管屈曲理论公式。
　　(2)双层弹性非粘管受限内层压溃数值研究。采用通用有限元程序ABAQUS，建立二维平面模型，使用弧长法研究内外层弯曲刚度比、内层径厚比对内层受限压溃的影响，总结了受限内层的失稳模态，并基于数值分析结果，拟合出计算公式，与解析解进行对比;建立三维内层螺旋缠绕结构模型，计入缺陷影响，使用动态隐式算法研究内外层弯曲刚度比、内层径厚比对螺旋内层受限压溃的影响，总结了受限螺旋内层的失稳模态，提出设计公式。
　　(3)弹性非粘管受限内层压溃参数分析。采用二维平面模型动态隐式算法，分别研究层间摩擦力、内层不圆度、层间间隙、内层不均匀厚度对内层压溃承载力的影响;在双层平面模型中加入中间层模拟骨架层与铠装层之间的内护套，研究内护套对受限压溃的影响。
　　(4)双层非粘管受限弹塑性内层压溃数值研究。内层材料分别采用理想弹塑性和双线性硬化模型，研究了内层材料屈服强度以及硬化率对受限内管的压溃承载力影响，结合弹性非粘管受限压溃公式拟合弹塑性受限压溃公式。
　　(5)非粘管压溃实验研究。采用两种钢带缠绕非粘管进行外护套完整的整体外压压溃试验和外护套破损的受限内管压溃试验。并将结果与有限元分析、计算公式进行对比，验证计算公式的正确性。
　　(6)内压下非粘管爆破压力研究。采用考虑材料非线性的理论方法与精细化ABAQUS有限元模型结果进行对比，同时分析拉伸对爆破压力的影响。

目录

声明

致谢

摘要

图表目录

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 非粘结柔性管概述

1．3 非粘管极限承载力研究现状

1．4 本文主要研究内容及创新点

第2章 非粘结柔性管受径向外压稳定理论

2．1 引言

2．2 圆管经典稳定理论

2．3 含缺陷圆管弹塑性稳定理论

2．4 受刚性限制圆管稳定理论

2．5 受弹性限制圆管稳定理论

2．6 本章小结

第3章 双层弹性非粘结柔性管受限压溃数值研究

3．1 引言

3．2 受限弹性内层压溃数值研究概述

3．3 受限弹性等效长管压溃数值分析

3．4 受限弹性螺旋结构压溃数值分析

3．5 本章小结

第4章 非粘结柔性管受限弹性内层压溃影响因素分析

4．1 引言

4．2 内层缺陷分析

4．3 层间摩擦力的影响

4．4 中间层对受限压溃的影响

4．5 本章小结

第5章 非粘结柔性管受限弹塑性内层压溃数值研究

5．1 引言

5．2 受限弹塑性长管压溃性能数值研究概述

5．3 受限理想弹塑性长管压溃数值分析

5．4 受限双线性硬化长管压溃数值分析

5．5 受限弹塑性长管压溃拟合公式

5．6 本章小结

第6章 非粘结柔性管受限压溃实验研究

6．1 引言

6．2 非粘管材料实验

6．3 非粘管压溃实验

6．4 实验管段的数值模拟

6．5 实验结果与理论解的比较

6．6 本章小结

第7章 非粘结柔性管内压爆破研究

7．1 引言

7．2 非粘管内压爆破理论模型

7．3 非粘管内压爆破有限元模型

7．4 结果与讨论

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 主要研究成果

8．2 主要创新点

8．3 研究展望

参考文献

作者简历