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    海底管道横向屈曲的影响

    2019-04-10   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港信息显示:在现代油气资源综合利用理论指导下,我国油气资源长输管道建设工程不断增加。在长输管道的设计与建设中,不可避免的会遇到河流阻碍等情况。为了实现长输管道的就近、安全输送的目的,在长输管道设计及建设施工中必须运用长输管道河流穿越技术。以长输管道河流穿越技术为基础保障长输管道建设施工目的。在长输管道河流穿越中,合理利用穿越技术是建设施工的关键。目前长输管道河流穿越技术主要分为开挖穿越及非开挖穿越两种。能够采用定向钻或隧道等穿越方式时应首选这类穿越技术,以此减少对河流生态环境的影响。在河床地质条件无法满足定向钻等施工要求时才考了考虑开挖施工方式,以环保理论的综合运用减少工程建设对生态环境的影响、实现工程建设目的。
     
    管-土相互作用参数对海底管道后屈曲的影响分析需要采用有限元方法。因此,笔者基于AN-SYS建立了平坦海床上裸铺管道的非线性有限元模型,详细分析了管-土相互作用参数对海底管道前屈曲及后屈曲的影响。
     
      1.1管道模型为了研究管道材料非线性的影响,选择Pipe20单元模拟管道。整体屈曲分析主要研究屈曲段的变形,因此管道屈曲段单元长度取1倍管道外径,屈曲段之外单元长度逐渐增加。
     
      管道钢材料的应力-应变关系采用Ramberg-Os-good本构关系,可以表示为:-材料的硬化系数;1和2分别代表屈服强度和极限抗拉强度对应的应力-应变点;基金项目:国家自然科学基金重点项目“海底管线的损伤机理和健康诊断研究”(50439010);教育部重大项目“长距离油气管线的破坏机理、安全评估和防灾对策研究”(305003)。
     
      不同横向摩擦因数情况下温差-最大横向位移关系曲线为横向摩擦因数对管道后屈曲响应的影响曲线。其中,a为管道变形曲线,b为沿管道分布的弯矩,c为管道截面90°位置的轴向总应变。从a可知,管道发生横向变形的总长度随着横向摩擦因数的增大逐渐缩短,即管道的横E―弹性模量。
     
      X65号钢的应力-应变关系曲线如所示。
     
      X65号钢应力-应变关系曲线1.2土体模型由于土体的高度非线性且管道极易变形,所以管-土之间的相互作用极为复杂。笔者建立的非线性有限元模型土体采用弹簧单元模拟。因平坦海床上裸铺管道的横向屈曲主要在水平面内发生,所以只需建立二维平面模型。为了模拟土体的非线性摩擦特性,选用Combin39号弹簧单元。
     
      海床与管道之间非线性弹塑性的轴向/横向相互作用力采用弹簧单元模拟,土弹簧单元的力-立移关系如所示。图中纵坐标为土体摩擦阻力,横坐标为相对滑动位移。海床与管道之间相互作用的轴向/横向摩擦力采用库仑定律计算,即x管道与海床之间的摩擦因数;W―单位长度管道的有效重力。
     
      管-土相互作用模型如所示。海床与管道之间的非线性弹塑性的轴向/横向相互作用力采用Combine39弹簧单元模拟,管道采用Pipe20号管单元模拟。因为主要研究管道横向的屈曲,所以模型中约束管道竖向的运动。引人初始几何缺陷后的管道有限元剖分如所示。
     
      管道有限元剖分管-土相互作用的影响2.1横向摩擦因数在管道单位长度有效重力一定的情况下,横向摩擦因数的大小决定了管道横向阻力的大小,对管道临界屈曲载荷有明显的影响。算例分析的横向摩擦因数为0.3~0.9,轴向摩擦因数为0.5,初始几何缺陷段长度为100m,缺陷幅值为1m.数值分析采用的管道相关参数为:直径300mm、壁厚14mm、淹没重力900N/m,热膨胀系数11.7x10-6,屈服应力448MPa,极限强度550MPa,轴向摩擦因数0.5,横向摩擦因数0.75,管道长度2800m,运行压力20MPa,运行温度95°C.为不同横向摩擦因数情况下管道温差-最大横向位移关系曲线。从图可知,临界温差随横向摩擦因数的增大而增大。例如:横向摩擦因数为0.5时对应的临界温差为1.25C,横向摩擦因数为0.9时对应的临界温差为11. 25C,比横向摩擦因数为0.5时增大了8倍。因此,可通过增加/减小管道与海床之间摩擦力的方法来增大/减小管道屈曲的临界温差,以更好地预防/激发管道屈曲。
     
      向摩擦因数越大,海床对管道的约束越大,管道越难发生横向变形;由b及c可以看出,管道的最大弯矩及轴向总应变随着横向摩擦因数的增大而增大,即海床对管道的横向约束越大,管道后屈曲的弯矩及应变越大。
     
      中国钢管信息港信息显示:管道长度/mc.轴向总应变横向摩擦因数对管道后屈曲响应的影响曲线2.2轴向摩擦因数管道与海床之间的轴向摩擦因数对其受到的轴向阻力有影响。算例分析所取轴向摩擦因数为0.5~0. 9,横向摩擦因数为0.7.为不同轴向摩擦因数情况下管道最大横向位移―温差曲线。
     
      轴向摩擦因数对管道屈曲的临界温差没有影响,均为5.75°C.为轴向摩擦因数对管道后屈曲响应的影响曲线。其中,a为管道变形图,b为沿管道分布的弯矩曲线,c为管道截面90°位置的轴向总应变。由图可知,不同轴向摩擦因数对应的管道后屈曲的变形、弯矩及应变几乎相同。
     
      土质不同将会影响土体屈服位移的大小。因此有必要研究土体屈服位移对管道前屈曲及后屈曲的影响。算例中土体屈服位移为0.4为不同屈服位移情况下管道最大横向位移随温差的变化曲线。
     
      土体屈服位移对管道屈曲的临界温差有较明显的影响,管道临界屈曲温差随着土体屈服位移的增加而减小。例如:屈服位移为0.4cm时对应的临界温差为13.25°C,屈服位移为7. 5cm时对应的临界温差为8.5°C,比屈服位移为时降低了35.85%. 0为土体屈服位移对管道后屈曲响应的影响曲线。其中,图la为沿管道的变形曲线,0b为沿管道分布的弯矩曲线,c为管道截面90°位置的轴向总应变。
     
      a.变形0土体屈服位移对后屈曲响应的影响曲线由图可知,不同土体屈服位移对应的管道后屈曲的变形、弯矩及应变几乎相同。
     
      3结论基于ANSYS建立了平坦海床上裸铺管道的非线性有限元模型,分析了管-土相互作用参数对管道前屈曲及后屈曲的影响,得到以下结论:管道屈曲的临界温差、最大弯矩及最大轴向总应变随着横向摩擦因数的增大而增大;管道总屈曲段长度随着横向摩擦因数的增大而缩短。
     
      轴向摩擦因数对管道临界屈曲载荷、后屈曲的变形、弯矩及应变影响很小。中国钢管信息港信息显示
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