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    海底管道橫向屈曲的影響

    2019-04-10   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港信息顯示:在現代油氣資源綜合利用理論指導下,我國油氣資源長輸管道建設工程不斷增加。在長輸管道的設計與建設中,不可避免的會遇到河流阻礙等情況。為了實現長輸管道的就近、安全輸送的目的,在長輸管道設計及建設施工中必須運用長輸管道河流穿越技術。以長輸管道河流穿越技術為基礎保障長輸管道建設施工目的。在長輸管道河流穿越中,合理利用穿越技術是建設施工的關鍵。目前長輸管道河流穿越技術主要分為開挖穿越及非開挖穿越兩種。能夠采用定向鉆或隧道等穿越方式時應首選這類穿越技術,以此減少對河流生態環境的影響。在河床地質條件無法滿足定向鉆等施工要求時才考了考慮開挖施工方式,以環保理論的綜合運用減少工程建設對生態環境的影響、實現工程建設目的。
     
    管-土相互作用參數對海底管道后屈曲的影響分析需要采用有限元方法。因此,筆者基于AN-SYS建立了平坦海床上裸鋪管道的非線性有限元模型,詳細分析了管-土相互作用參數對海底管道前屈曲及后屈曲的影響。
     
      1.1管道模型為了研究管道材料非線性的影響,選擇Pipe20單元模擬管道。整體屈曲分析主要研究屈曲段的變形,因此管道屈曲段單元長度取1倍管道外徑,屈曲段之外單元長度逐漸增加。
     
      管道鋼材料的應力-應變關系采用Ramberg-Os-good本構關系,可以表示為:-材料的硬化系數;1和2分別代表屈服強度和極限抗拉強度對應的應力-應變點;基金項目:國家自然科學基金重點項目“海底管線的損傷機理和健康診斷研究”(50439010);教育部重大項目“長距離油氣管線的破壞機理、安全評估和防災對策研究”(305003)。
     
      不同橫向摩擦因數情況下溫差-最大橫向位移關系曲線為橫向摩擦因數對管道后屈曲響應的影響曲線。其中,a為管道變形曲線,b為沿管道分布的彎矩,c為管道截面90°位置的軸向總應變。從a可知,管道發生橫向變形的總長度隨著橫向摩擦因數的增大逐漸縮短,即管道的橫E―彈性模量。
     
      X65號鋼的應力-應變關系曲線如所示。
     
      X65號鋼應力-應變關系曲線1.2土體模型由于土體的高度非線性且管道極易變形,所以管-土之間的相互作用極為復雜。筆者建立的非線性有限元模型土體采用彈簧單元模擬。因平坦海床上裸鋪管道的橫向屈曲主要在水平面內發生,所以只需建立二維平面模型。為了模擬土體的非線性摩擦特性,選用Combin39號彈簧單元。
     
      海床與管道之間非線性彈塑性的軸向/橫向相互作用力采用彈簧單元模擬,土彈簧單元的力-立移關系如所示。圖中縱坐標為土體摩擦阻力,橫坐標為相對滑動位移。海床與管道之間相互作用的軸向/橫向摩擦力采用庫侖定律計算,即x管道與海床之間的摩擦因數;W―單位長度管道的有效重力。
     
      管-土相互作用模型如所示。海床與管道之間的非線性彈塑性的軸向/橫向相互作用力采用Combine39彈簧單元模擬,管道采用Pipe20號管單元模擬。因為主要研究管道橫向的屈曲,所以模型中約束管道豎向的運動。引人初始幾何缺陷后的管道有限元剖分如所示。
     
      管道有限元剖分管-土相互作用的影響2.1橫向摩擦因數在管道單位長度有效重力一定的情況下,橫向摩擦因數的大小決定了管道橫向阻力的大小,對管道臨界屈曲載荷有明顯的影響。算例分析的橫向摩擦因數為0.3~0.9,軸向摩擦因數為0.5,初始幾何缺陷段長度為100m,缺陷幅值為1m.數值分析采用的管道相關參數為:直徑300mm、壁厚14mm、淹沒重力900N/m,熱膨脹系數11.7x10-6,屈服應力448MPa,極限強度550MPa,軸向摩擦因數0.5,橫向摩擦因數0.75,管道長度2800m,運行壓力20MPa,運行溫度95°C.為不同橫向摩擦因數情況下管道溫差-最大橫向位移關系曲線。從圖可知,臨界溫差隨橫向摩擦因數的增大而增大。例如:橫向摩擦因數為0.5時對應的臨界溫差為1.25C,橫向摩擦因數為0.9時對應的臨界溫差為11. 25C,比橫向摩擦因數為0.5時增大了8倍。因此,可通過增加/減小管道與海床之間摩擦力的方法來增大/減小管道屈曲的臨界溫差,以更好地預防/激發管道屈曲。
     
      向摩擦因數越大,海床對管道的約束越大,管道越難發生橫向變形;由b及c可以看出,管道的最大彎矩及軸向總應變隨著橫向摩擦因數的增大而增大,即海床對管道的橫向約束越大,管道后屈曲的彎矩及應變越大。
     
      中國鋼管信息港信息顯示:管道長度/mc.軸向總應變橫向摩擦因數對管道后屈曲響應的影響曲線2.2軸向摩擦因數管道與海床之間的軸向摩擦因數對其受到的軸向阻力有影響。算例分析所取軸向摩擦因數為0.5~0. 9,橫向摩擦因數為0.7.為不同軸向摩擦因數情況下管道最大橫向位移―溫差曲線。
     
      軸向摩擦因數對管道屈曲的臨界溫差沒有影響,均為5.75°C.為軸向摩擦因數對管道后屈曲響應的影響曲線。其中,a為管道變形圖,b為沿管道分布的彎矩曲線,c為管道截面90°位置的軸向總應變。由圖可知,不同軸向摩擦因數對應的管道后屈曲的變形、彎矩及應變幾乎相同。
     
      土質不同將會影響土體屈服位移的大小。因此有必要研究土體屈服位移對管道前屈曲及后屈曲的影響。算例中土體屈服位移為0.4為不同屈服位移情況下管道最大橫向位移隨溫差的變化曲線。
     
      土體屈服位移對管道屈曲的臨界溫差有較明顯的影響,管道臨界屈曲溫差隨著土體屈服位移的增加而減小。例如:屈服位移為0.4cm時對應的臨界溫差為13.25°C,屈服位移為7. 5cm時對應的臨界溫差為8.5°C,比屈服位移為時降低了35.85%. 0為土體屈服位移對管道后屈曲響應的影響曲線。其中,圖la為沿管道的變形曲線,0b為沿管道分布的彎矩曲線,c為管道截面90°位置的軸向總應變。
     
      a.變形0土體屈服位移對后屈曲響應的影響曲線由圖可知,不同土體屈服位移對應的管道后屈曲的變形、彎矩及應變幾乎相同。
     
      3結論基于ANSYS建立了平坦海床上裸鋪管道的非線性有限元模型,分析了管-土相互作用參數對管道前屈曲及后屈曲的影響,得到以下結論:管道屈曲的臨界溫差、最大彎矩及最大軸向總應變隨著橫向摩擦因數的增大而增大;管道總屈曲段長度隨著橫向摩擦因數的增大而縮短。
     
      軸向摩擦因數對管道臨界屈曲載荷、后屈曲的變形、彎矩及應變影響很小。中國鋼管信息港信息顯示
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