基于深海卷管铺设的海管椭圆度分析-13-复旦.pdf

应用数学和力学，第34卷 第6期 2013年 6月 15 13出版 Applied Mathematics and Mechanics Vo1．34，No．6，Jun．15，2013 文章编号：1000—0887(2013)06—0552—12 @ 应用数学和力学编委会，ISSN 1000—0887 基于深海卷管铺设的海管椭圆度分析 张九菊 ，段梦兰 ，马建敏 ，胡显伟 (1．复旦大学 力学与工程科学系，上海 200433； 2．中国石油大学(北京)海洋油气研究中心，北京 102249； 3．中国石油天然气勘探开发公司，北京 100034) 摘要： 深水海管在使用卷管铺设时，海管截面变形较大，产生椭圆化现象，降低了海管的弯曲能 力，甚至使海管发生失稳及局部屈曲．利用应变能法和 Ritz法建立了海管椭圆度理论求解方法．用 有限元软件 ABAQUS对有初始弯曲曲率及无初始弯曲曲率的海管分别进行了非线性有限元分析， 并与 modifed Brazier方法及 modified von K缸n n方法得到的结果进行 了比较．由以上几种方法得 到的计算结果基本吻合．再次利用有限元软件对海管椭圆度的敏感参数进行了分析，多组结果显 示椭圆度受海管管径、壁厚、初始弯曲曲率、弯曲曲率等参数的影响，并得到了椭圆度随海管几何 参数变化的规律．椭圆度的研究为深海卷管铺设提供了理论基础． 关 键 词： 椭圆度； 弹塑性变形 ； 弯曲曲率； 能量法 中图分类号 ： TE973；0344．3 文献标志码： A DOl：10．3879／j．issn．1000—0887．2013．06．002 引 言 海底管道被称为海上油气田的“生命线”，对海上油气田的开发、生产、产品外输起着关键 性作用 J．卷管铺设方法是一种新型的海底管道铺设方法，具有铺设速度快，铺管效率高、费 用低，可靠性好等优点 J．目前已在美国、巴西等发达国家得到了广泛的应用．在国内，卷管铺 设技术的研究也越来越多 4。，这是一项方兴未艾的技术，在未来的深海开发中将发挥巨大的 作用． 图1为海管在用卷管铺设时的示意图．海管的尺寸通常为4—18 in(101．6—457．2 mm) 时 可用于卷管铺设，在上卷及退卷的过程中海管发生了多次弯曲，经历了多次弹塑性变形 ． Kyriakides等。 指出过弯曲会导致海管截面的椭圆化，而椭圆化会降低海管的弯曲能力，甚至 使海管发生失稳及局部屈曲．尤其是对于深海中的海底管道，在某种条件下这种局部屈曲一旦 形成，很容易因外部静水压力的作用而沿着管道出现危害性极大的传播性屈曲 ，使管道丧 失承载能力并导致整体结构的报废失效，造成巨大的经济损失 ．因此，应该对海管椭圆度进 行有效地控制，从基本设计上着手来减小椭圆度，从而减少屈曲发生的概率，保证海管的安全 运行． 收稿日期： 基金项 目： 作者简介 2013．04—03；修订 13期 ： 201304—17 国家科技重大专项基金资助项 目(2008ZX05056)；国家 自然科学基金资助项 目 ；国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB13702) 张九菊(1979一)，女 ，河北人，博士生(通讯作者．E—mail：zhangjiuju0917@sohu．eom)． 552 张 九 菊 段 梦 兰 马 建 敏 胡 显 伟 553 图 1 卷管铺设方法简 图 Fig．1 Schematic presentation of the reeled pipe installation process 最早进行椭圆度研究工作的是 von K丘珊螽n【10]和 Brazier_l ，他们在椭圆度的研究工作上 做出了巨大的贡献，直到现在，人们仍然把管子的椭圆化现象 (ovalization)称作 Brazier效 应_l ．目前椭圆化的研究大多集中在弯曲载荷与椭圆度位移问的非线性关系上．Li等 ?对圆 柱筒受到突变弯矩时的动态稳定性进行了研究，研究结果表明当施加的动态弯矩载荷为静态 弯矩载荷的80％时，圆柱筒发生动态失稳，而此时圆柱筒的弯曲曲率和椭圆度远大于静态时 的弯曲曲率和椭圆度的值．Karamanos 14]运用非线性有限元方法对平面内管道受到弯曲载荷 时的失稳条件进行了研究 ，并运用解析方法得到了椭圆化失稳和屈曲失稳的弯矩载荷表达式． Olso和 Kyriakides 基于非线性环理论对受外压和弯曲联合作用的弹塑性钢管进行了分析， 得到了椭圆化失稳的非线性半解析方程．Guaracino 钊从工程设计及应用的角度对弹性圆柱 筒的纯弯曲问题进行了实验和有限元分析，并与商业标准进行了比较，得到了适用性更强的理 论成果．在国内，余建星等H 开展了全尺寸管道压溃试验，