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便、可重復(fù)利用等優(yōu)點，在國外正逐步取代傳統(tǒng)鋼質(zhì)海底管線。鑒于國外海底輸油軟管使用現(xiàn)狀和我國渤海、南海進口軟管的成功使用案例，石油部門希望國內(nèi)能自主研制生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品以節(jié)省進口軟管高額開支。我國橡膠行業(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橡膠輸油軟管。這種海底輸油軟管既不同于國外同名軟管產(chǎn)品，也不同于國內(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，國內(nèi)外相關(guān)研究幾乎空白。本課題來源于國家自然科學(xué)基金重點項目(50439010)-海底管線的損傷機理和健康診斷研究，受中國勝利油田研究設(shè)計院委托，以河北歐亞特種膠管有限公司出品的軟管為原型試件，對海底輸油軟管力學(xué)響應(yīng)進行相關(guān)理論與試驗研究。
　　 (1)海底管線懸空機理

3、及懸跨長度研究
　　 調(diào)查資料表明海底管線懸空現(xiàn)象較為普遍，這對海底管線安全運行帶來很大隱患。在參閱國內(nèi)外文獻基礎(chǔ)上，本文指出導(dǎo)致海底管線懸空的四種機理并進行全面分析。以埕島海域為例，結(jié)合我國海底管線實際在位調(diào)查數(shù)據(jù)，本文對比分析了國內(nèi)外學(xué)者提出的各海底管線懸跨長度、懸跨深度經(jīng)驗公式的適用性。
　　 (2)實際海況中懸跨海底管線外載研究
　　 實際海況中懸跨海底管線主要受到波流水動力作用。在參閱國內(nèi)外文獻基礎(chǔ)上，

4、本文總結(jié)了波流水動力對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化為潮流對海底管線在水平方向上的恒載和豎直方向上的動載、波浪對海底管線在水平方向上的動載。此外，本文以埕島海域為例，對比線性Airy波理論、五階Stokes波理論、橢圓余弦波理論所計算的波浪水質(zhì)點速度、加速度，指出在計算埕島海域海底管線波浪力時可采用線性Airy波理論。
　　 (3)海底輸油軟管增強層本構(gòu)關(guān)系研究。
　　 增強層本構(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)合軟管增強層結(jié)構(gòu)特點，本文對比分析了適用于連續(xù)纖維增強層的國內(nèi)外8種經(jīng)典預(yù)測模型，建議采用我國工程經(jīng)驗公式對材料正軸坐標(biāo)系下鋼絲纏繞增強層單層板面內(nèi)工程彈性常數(shù)進行預(yù)測?；趶?fù)合材料細觀理論，將我國工程經(jīng)驗公式擴展到三維情況；并運用張量理論得到結(jié)構(gòu)柱坐標(biāo)系下的鋼絲纏繞增強層單層板本構(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。采用本文解析法對內(nèi)壓作用下軟管的位移場、應(yīng)變場和應(yīng)力場進行計算，并對內(nèi)壓作用下軟管原型試件進行靜載試驗研究，本文解析法計算結(jié)果與靜載試驗數(shù)據(jù)在變化趨勢上一致，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，還要承受波流水動力橫向荷載作用，并且軟管撓性特性使其在實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)合無限長小變形軟管的三維正交各向異性彈性理論求解過程，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。采用本文解析法對內(nèi)壓、

8、橫向荷載聯(lián)合作用下的軟管力學(xué)響應(yīng)進行計算并作以相關(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，通過軟管原型試件相關(guān)靜載試驗研究，對軟管等效軸向彈性模量進行定性分析。
　　 (6)海底輸油軟管疲勞損傷初探研究
　　 實際海況中的懸跨海底輸油軟管將受到波流水動力動載作用，從而導(dǎo)致軟管在服役期間會出現(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，基于復(fù)合材料細觀損傷理論對軟管進行微觀損傷機理分

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，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，對軟管端部鼓包失效形式進行相關(guān)理論分析；基于線彈性斷裂理論對軟管端部滲漏失效形式進行相關(guān)理論分析；基于唯象損傷理論對軟管自身滲漏失效形式進行相關(guān)理論分析。
　　 (7)大變形海底輸油軟管動力響應(yīng)初探研究
　　 實際海況中的懸跨海底輸油軟管常受到