深海夾層管復(fù)合結(jié)構(gòu)非線性屈曲失穩(wěn)機(jī)理研究.pdf

1、隨著海洋油氣資源的勘探開發(fā)邁向深水和超深水海域，對(duì)海底油氣管道也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的單層海底管道由于浮重度較大，絕熱性能較差，已不適合應(yīng)用于于深水和超深水海域。夾層管復(fù)合結(jié)構(gòu)是近年才發(fā)展起來的海底管束技術(shù)，在深海油氣資源開發(fā)和輸運(yùn)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。深水海底管道在安裝和服役期間，需要承受巨大的外部靜水壓力和不同程度的彎曲作用，同時(shí)材料非線性和幾何非線性的存在使得管道受力更為復(fù)雜。深海高壓環(huán)境容易誘發(fā)管道發(fā)生局部屈曲，在靜水壓力作用下屈

2、曲將沿管道軸向傳播，導(dǎo)致整條管道發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)影響。因此，開展深海夾層管復(fù)合結(jié)構(gòu)非線性屈曲失穩(wěn)機(jī)理研究具有重大的工程意義。
　　本文采用具有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好保溫絕熱性能的聚丙烯作為夾芯層材料，通過試驗(yàn)測(cè)得聚丙烯夾芯層與內(nèi)外鋼管之間的粘結(jié)特性，考慮不同的層間粘結(jié)性能，分別對(duì)夾層管在外壓和彎曲作用下的屈曲失穩(wěn)進(jìn)行了精確的數(shù)值模擬分析，主要研究工作概述為以下幾個(gè)方面:
　　(1)夾層管層間粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

3、。通過單軸拉伸試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得聚丙烯材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)方案分別研究夾層管層間環(huán)向粘結(jié)性能和軸向粘結(jié)性能，探究了不同黏結(jié)劑和接觸面粗糙程度對(duì)層間粘結(jié)性能的影響。
　　(2)外壓作用下夾層管非線性屈曲失穩(wěn)研究。將外壓作用下夾層管的屈曲失穩(wěn)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，采用節(jié)點(diǎn)間非線性彈簧模擬夾芯層與內(nèi)外管之間的粘結(jié)性能，通過廣泛的參數(shù)化分析，研究了層間粘結(jié)性能、鋼管初

4、始幾何缺陷、截面幾何構(gòu)型以及材料特性等因素對(duì)夾層管屈曲失穩(wěn)的影響。
　　(3)純彎作用下夾層管非線性屈曲失穩(wěn)研究。建立了夾層管在純彎作用下的三維數(shù)值模型，通過一系列的參數(shù)敏感性分析，研究了管道長(zhǎng)度、層間粘結(jié)性能、截面幾何構(gòu)型以及材料特性等因素對(duì)夾層管屈曲失穩(wěn)的影響。
　　研究結(jié)果表明，無論是外壓，還是彎曲作用下，夾層管的屈曲性能相比傳統(tǒng)單層管都有較大幅度的提升;外壓作用下，層間粘結(jié)性能對(duì)夾層管屈曲性能影響較大，而彎曲作用下，