超深水S型鋪管的上彎段關(guān)鍵力學(xué)問題研究.pdf

1、S型鋪管法是海底管道鋪設(shè)的主要方法。進行鋪設(shè)作業(yè)時，管道從鋪管船甲板上經(jīng)過吊裝、焊接、無損檢測等工序后，由張緊器釋放，沿托管架滑入水中，最后落至海底。管道在通過托管架滑移入水的過程中承受彎曲、拉伸、托輥反力和船體運動荷載的組合作用，在一定的鋪設(shè)工況下，不可避免的發(fā)生塑性變形、應(yīng)變集中和截面橢圓化等損傷。當(dāng)含有鋪設(shè)損傷的管道離開托管架入水后，在海水外壓的作用下，可能會過早的發(fā)生屈曲失效。這些問題在以往的淺水S型海底管道鋪設(shè)中是沒有被關(guān)注的

2、。因為在淺水鋪設(shè)中，管道總重量輕，管道在托管架上承受的荷載相對小，上彎段鋪設(shè)過程不會導(dǎo)致管道的直接破壞或損傷。而在超深水S型鋪設(shè)中，管道的幾何形狀和荷載條件發(fā)生變化，上彎段“托管架—管道”的耦合動力作用更加復(fù)雜，出現(xiàn)了一系列亟待解決的新問題。本文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）“深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)研究”和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）“深海水下油氣輸送系統(tǒng)可靠性理論研究”的支持下，面向超深水S型海底管道鋪設(shè)中的上

3、彎段關(guān)鍵力學(xué)問題進行研究，開展了如下工作:
　　(1)研究了鋪管船運動激勵下的托管架和管道耦合動力響應(yīng)。
　　在超深水S型海底管道鋪設(shè)中，管道在托管架上承受較大的荷載，發(fā)生塑性變形，甚至接近極限承載能力。鋪管船在風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境的作用下發(fā)生運動，帶動托管架和管道相互碰撞，引起托輥荷載的顯著增加，對管道安全造成威脅。確定鋪管船運動激勵下的托管架和管道耦合動力響應(yīng)是進行超深水海底管道鋪設(shè)的前提。本文開展了“托管架—管道”耦合

4、動力作用的數(shù)值仿真和大比尺模型實驗研究，模擬了鋪管船運動作用下管道從托管架上滑落的過程，獲得了管道在超深水鋪設(shè)中發(fā)生塑性變形時的截面應(yīng)力分布狀態(tài)。研究了托輥荷載的靜力分布規(guī)律和鋪管船運動對托輥荷載的動力放大效應(yīng)，確定了管道在鋪設(shè)過程中的動力應(yīng)變歷史和托管架的受力狀態(tài)。
　　(2)研究了鋪設(shè)過程引起的管道損傷及含損傷管道的后續(xù)承載能力。
　　管道在超深水S型鋪設(shè)過程中發(fā)生不同程度的截面變形。以往的分析模型大多將管道簡化為梁單元

5、，無法計算管道從托管架上滑落之后的局部變形和橢圓率。本文利用殼單元建立管道模型，計算了受鋪設(shè)荷載作用下的管道殘余塑性變形和截面不均勻橢圓率。然后以含有鋪設(shè)損傷的管道作為外壓荷載作用下屈曲分析的初始構(gòu)型，基于改進的Riks方法計算了含鋪設(shè)殘余變形管道在外壓荷載作用下的臨界屈曲壓力。研究結(jié)果可以為超深水海底管道鋪設(shè)中，當(dāng)管道發(fā)生較大塑性變形時的承載能力評估提供參考。
　　(3)提出了基于管道極限承載能力分析的超深水托管架設(shè)計方法。

6、r>　　托管架是S型海底管道鋪設(shè)的核心裝備，在鋪設(shè)過程中起到支撐管道和引導(dǎo)管道入水的作用。它的長度和曲率半徑變化范圍在一定程度上決定了鋪管船的鋪設(shè)能力，是設(shè)計過程中最難確定的參數(shù)。進行托管架設(shè)計時既需要滿足管道的極限承載能力要求，又必須保持張緊器拉力、船體尺寸、船舶推進能力等參數(shù)的平衡，還要保證托管架自身的結(jié)構(gòu)安全，涉及諸多參數(shù)的優(yōu)選。本文在“托管架—管道”耦合動力作用研究的基礎(chǔ)上，基于管道的極限承載能力分析，提出了超深水托管架的基本設(shè)