海底輸油軟管力學響應研究.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、可重復利用等優(yōu)點，在國外正逐步取代傳統(tǒng)鋼質海底管線。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，石油部門希望國內能自主研制生產相關產品以節(jié)省進口軟管高額開支。我國橡膠行業(yè)參考了鋼塑輸水復合管線專利，

2、研制開發(fā)出適用于石油領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品，也不同于國內輸水復合管線，是一種全新的復合管線并且尚未使用，國內外相關研究幾乎空白。本課題來源于國家自然科學基金重點項目(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響應進行相關理論與試驗研究。
　　 (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。在參閱國內外文獻基礎上，本文指出導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，結合我國海底管線實際在位調查數(shù)據(jù)，本文對比分析了國內外學者提出的各海底管線懸跨長度、懸跨深度經驗公式的適用性。
　　 (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。在參閱國內外文獻基礎上，

4、本文總結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關系研究。
　　 增強層本構關系

5、研究是海底輸油軟管力學分析的基礎。結合軟管增強層結構特點，本文對比分析了適用于連續(xù)纖維增強層的國內外8種經典預測模型，建議采用我國工程經驗公式對材料正軸坐標系下鋼絲纏繞增強層單層板面內工程彈性常數(shù)進行預測。基于復合材料細觀理論，將我國工程經驗公式擴展到三維情況；并運用張量理論得到結構柱坐標系下的鋼絲纏繞增強層單層板本構方程。
　　 (4)內壓作用下海底輸油軟管力學響應研究
　　 海底輸油軟管的功能荷載之一為內部介質壓力。

6、以往對內壓作用下鋼絲纏繞復合管線的力學研究通常采用薄殼理論，海底輸油軟管高內壓要求使其在構造上為具有多層增強層的厚壁結構，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構，基于三維各向異性彈性理論提出內壓作用下軟管力學響應的解析解答。采用本文解析法對內壓作用下軟管的位移場、應變場和應力場進行計算，并對內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)內壓、橫向荷載聯(lián)合作用下海底輸油軟管力學響應研究
　　 實際海況中的懸跨海底輸油軟管既要承受內部介質壓力，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變，并結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，提出內壓、橫向荷載聯(lián)合作用下軟管大變形力學響應的近似解析解答。采用本文解析法對內壓、

8、橫向荷載聯(lián)合作用下的軟管力學響應進行計算并作以相關分析。海底輸油軟管的特殊材料和特殊結構使其等效軸向彈性模量不易確定，通過軟管原型試件相關靜載試驗研究，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，從而導致軟管在服役期間會出現(xiàn)疲勞失效。結合橫向周期荷載作用下的軟管原型試件疲勞試驗，基于復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用領域，結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則?；赗osen剪切滯后模型、結合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理論分析。
　　 (7)大變形海底輸油軟管動力響應初探研究
　　 實際海況中的懸跨海底輸油軟管常受到