海底輸油軟管力學(xué)響應(yīng)研究.pdf

1、海底管線是海洋石油開發(fā)的重要組成部分，傳統(tǒng)上采用鋼管外覆混凝土作為海底管線，腐蝕、懸跨管線靜力破壞和疲勞破壞是其失效的主要原因。海底輸油軟管是由不同功能層組成的復(fù)合管線，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、撓性、抗疲勞性以及安裝簡(jiǎn)便、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外正逐步取代傳統(tǒng)鋼質(zhì)海底管線。鑒于國(guó)外海底輸油軟管使用現(xiàn)狀和我國(guó)渤海、南海進(jìn)口軟管的成功使用案例，石油部門希望國(guó)內(nèi)能自主研制生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品以節(jié)省進(jìn)口軟管高額開支。我國(guó)橡膠行業(yè)參考了鋼塑輸水復(fù)合管線專利，

2、研制開發(fā)出適用于石油領(lǐng)域的多層螺旋纏繞鋼絲增強(qiáng)橡膠輸油軟管。這種海底輸油軟管既不同于國(guó)外同名軟管產(chǎn)品，也不同于國(guó)內(nèi)輸水復(fù)合管線，是一種全新的復(fù)合管線并且尚未使用，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究幾乎空白。本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50439010)-海底管線的損傷機(jī)理和健康診斷研究，受中國(guó)勝利油田研究設(shè)計(jì)院委托，以河北歐亞特種膠管有限公司出品的軟管為原型試件，對(duì)海底輸油軟管力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行相關(guān)理論與試驗(yàn)研究。
　　 (1)海底管線懸空機(jī)理

3、及懸跨長(zhǎng)度研究
　　 調(diào)查資料表明海底管線懸空現(xiàn)象較為普遍，這對(duì)海底管線安全運(yùn)行帶來(lái)很大隱患。在參閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，本文指出導(dǎo)致海底管線懸空的四種機(jī)理并進(jìn)行全面分析。以埕島海域?yàn)槔Y(jié)合我國(guó)海底管線實(shí)際在位調(diào)查數(shù)據(jù)，本文對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的各海底管線懸跨長(zhǎng)度、懸跨深度經(jīng)驗(yàn)公式的適用性。
　　 (2)實(shí)際海況中懸跨海底管線外載研究
　　 實(shí)際海況中懸跨海底管線主要受到波流水動(dòng)力作用。在參閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，

4、本文總結(jié)了波流水動(dòng)力對(duì)懸跨海底管線的荷載作用形式，指出埕島海域懸跨海底管線外載體系可簡(jiǎn)化為潮流對(duì)海底管線在水平方向上的恒載和豎直方向上的動(dòng)載、波浪對(duì)海底管線在水平方向上的動(dòng)載。此外，本文以埕島海域?yàn)槔?，?duì)比線性Airy波理論、五階Stokes波理論、橢圓余弦波理論所計(jì)算的波浪水質(zhì)點(diǎn)速度、加速度，指出在計(jì)算埕島海域海底管線波浪力時(shí)可采用線性Airy波理論。
　　 (3)海底輸油軟管增強(qiáng)層本構(gòu)關(guān)系研究。
　　 增強(qiáng)層本構(gòu)關(guān)系

5、研究是海底輸油軟管力學(xué)分析的基礎(chǔ)。結(jié)合軟管增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文對(duì)比分析了適用于連續(xù)纖維增強(qiáng)層的國(guó)內(nèi)外8種經(jīng)典預(yù)測(cè)模型，建議采用我國(guó)工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)材料正軸坐標(biāo)系下鋼絲纏繞增強(qiáng)層單層板面內(nèi)工程彈性常數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)?；趶?fù)合材料細(xì)觀理論，將我國(guó)工程經(jīng)驗(yàn)公式擴(kuò)展到三維情況；并運(yùn)用張量理論得到結(jié)構(gòu)柱坐標(biāo)系下的鋼絲纏繞增強(qiáng)層單層板本構(gòu)方程。
　　 (4)內(nèi)壓作用下海底輸油軟管力學(xué)響應(yīng)研究
　　 海底輸油軟管的功能荷載之一為內(nèi)部介質(zhì)壓力。

6、以往對(duì)內(nèi)壓作用下鋼絲纏繞復(fù)合管線的力學(xué)研究通常采用薄殼理論，海底輸油軟管高內(nèi)壓要求使其在構(gòu)造上為具有多層增強(qiáng)層的厚壁結(jié)構(gòu)，因此不適合采用薄殼理論。本文將軟管作為由多層各向異性增強(qiáng)層和多層各向同性橡膠層組成的層合結(jié)構(gòu)，基于三維各向異性彈性理論提出內(nèi)壓作用下軟管力學(xué)響應(yīng)的解析解答。采用本文解析法對(duì)內(nèi)壓作用下軟管的位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)內(nèi)壓作用下軟管原型試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，本文解析法計(jì)算結(jié)果與靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)在變化趨勢(shì)上一致，在數(shù)

7、值上較為接近。
　　 (5)內(nèi)壓、橫向荷載聯(lián)合作用下海底輸油軟管力學(xué)響應(yīng)研究
　　 實(shí)際海況中的懸跨海底輸油軟管既要承受內(nèi)部介質(zhì)壓力，還要承受波流水動(dòng)力橫向荷載作用，并且軟管撓性特性使其在實(shí)際海況中多處于大變形狀態(tài)。本文采用梁撓曲線初參數(shù)方程確定軟管在橫向荷載作用下的軸向平均應(yīng)變，并結(jié)合無(wú)限長(zhǎng)小變形軟管的三維正交各向異性彈性理論求解過(guò)程，提出內(nèi)壓、橫向荷載聯(lián)合作用下軟管大變形力學(xué)響應(yīng)的近似解析解答。采用本文解析法對(duì)內(nèi)壓、

8、橫向荷載聯(lián)合作用下的軟管力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算并作以相關(guān)分析。海底輸油軟管的特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)使其等效軸向彈性模量不易確定，通過(guò)軟管原型試件相關(guān)靜載試驗(yàn)研究，對(duì)軟管等效軸向彈性模量進(jìn)行定性分析。
　　 (6)海底輸油軟管疲勞損傷初探研究
　　 實(shí)際海況中的懸跨海底輸油軟管將受到波流水動(dòng)力動(dòng)載作用，從而導(dǎo)致軟管在服役期間會(huì)出現(xiàn)疲勞失效。結(jié)合橫向周期荷載作用下的軟管原型試件疲勞試驗(yàn)，基于復(fù)合材料細(xì)觀損傷理論對(duì)軟管進(jìn)行微觀損傷機(jī)理分

9、析。海底輸油軟管具有特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合軟管原型試件疲勞試驗(yàn)，提出軟管端部鼓包、軟管端部滲漏、軟管自身滲漏三種失效準(zhǔn)則?；赗osen剪切滯后模型、結(jié)合Cox連續(xù)纖維荷載傳遞公式，對(duì)軟管端部鼓包失效形式進(jìn)行相關(guān)理論分析；基于線彈性斷裂理論對(duì)軟管端部滲漏失效形式進(jìn)行相關(guān)理論分析；基于唯象損傷理論對(duì)軟管自身滲漏失效形式進(jìn)行相關(guān)理論分析。
　　 (7)大變形海底輸油軟管動(dòng)力響應(yīng)初探研究
　　 實(shí)際海況中的懸跨海底輸油軟管常受到