国内外海底管道屈曲研究进展

《海洋工程结构力学》国内外海底管道屈曲研究进展摘要：海底管道铺设过程中，往往在海底与铺管作业船之间的管道存在着相当长一段的悬跨段，悬跨段长度与水深有关。在悬跨段经常可能因管子原始的或铺设过程中造成的局部凹陷或损伤而发生屈曲失稳现象。这种屈曲一旦在管道局部形成，将容易因外部超静水压作用而沿着管道出现纵向屈曲迅速传播，造成危害性较大的传播型屈曲。这将会严重阻碍管道的正常运行和造成较大的经济损失。本文即简单评述了国内外海底管道屈曲研究进展情况。关键词：管道铺设屈曲超静水压Advancesonlocal&globalbucklingofsubseapipelinesAbstract：Whenthelayingofsubmarinepipes,thereoftenexistencealongperiodofthesuspensionspanbetweentheseabedandpipelayingshipchannel,whichlengthhaverealatedtothedepthofwater.Inspanningtheoriginaltubesmayoftenbeduetotheprocessorinstallationordamagecausedbydepression,whilelocalbucklingphenomenaoccur.Oncethisformoflocalbucklinginthepipelinemade,itwillbevulnerabletotheexternalroleofsuper-hydrostaticpressurealongthepipelinebucklingofverticalspreadrapidly,causingthespreadofharmfullargertypebuckling.Thiswillseriouslyimpedethenormaloperationofpipelineandcauselargeeconomiclosses.Thispaperbrieflyreviewsthedomesticandbucklingofsubmarinepipelinesprogress.Keywords：PipelayingBucklingSuper-hydrostaticpressure1国内外研究现状当前，海底管道铺设过程的受力性能和屈曲问题引起了广泛的关注，针对该类问题国内外相关学者进行了较为深入的研究。Fabia对弹性范围内管道在弯矩和拉力组合作用下的非线性屈曲响应进行了分析[1]。wilhoit等研究了管道弯矩和拉力组合作用下的弹塑性响应，但未考虑加载路径对管道屈曲性能的影响。周承调对海底管道的屈曲及其传播现象进行了研究，介绍了8种不同控制屈曲发生的屈曲压力，并提出用相应的止屈器来防止屈曲波形的传播。天津大学闰澎旺教授用OFFPIPE软件计算分析了单层保温管在浅水海域铺设时钢管受到的最大轴向应力，根据力的层间传递特性和变形协调条件，建立了单层保温管各层间剪切力和保温层中剪应力的计算方法，为单层保温管的设计和应用提供了理论依据。贾旭基于弹性力学理论，对40米水深的南海某油田海底单层保温管道进行了压溃屈曲分析，探讨了静水压力作用下海底单层保温管道各层应力分布和临界屈曲荷载的计算方法。曾晓辉用非线性梁理论处理海底管道铺设的受力分析，用奇异摄动法来求解非线性方程，提高了运算速度和求解效率。刑静忠基于欧拉一伯努利梁理论，考虑线弹性海床刚度，研究了埋设悬跨海底管道在热膨胀引起的轴向压力作用下的屈曲问题，给出了埋设管道段和悬跨管道段的屈曲稳定性判别准则。姚宝恒针对国内目前在建的3000米深海管道铺设系统，建立了管道的纵向振动方程，应用Galerkin截断法进行求解，分析了波高、波频等海况参数对管道截面动态应力和振动幅值的影响。Palme：教授等1975年在Nature杂志上发表论文首次揭示了深水海域油气管道铺设过程中，管道的局部屈曲失稳会导致屈曲沿管道轴线方向进行传递的现象。Bai应用有限元程序分析了在外压、轴向拉力和弯矩共同作用下厚壁管道的屈曲性能，在分析中解释了初始椭圆率、残余应力、应变硬化和加载路径对管道屈曲的影响。Kyriakides等人运用试验和数值模拟方法对薄壁和相对厚壁管道在弯曲和外部静水压力作用下的屈曲问题进行了研究，分析了径厚比、材料特性、初始椭圆率和加载路径对管道屈曲的影响，发现管道的临界屈曲荷载和失稳特性与加载路径相关，同时也研究了扣入式和整体式止屈器的工作性能及其影响因素。Dama通过试验和数值模拟研究了局部屈曲受损钢质管道在内压和弯矩作用下的承载能力，以及在循环荷载作用下管道的疲劳强度和剩余寿命预测，同时对管道几何和力学参数的分析确定了管道屈曲区域的临界部位，研究工作为局部屈曲受损管道的继续使用提供了安全评估基础。xue应用ABAQUS软件分析了非均匀和受腐蚀海底管道在外压作用下的屈曲和屈曲传播特性，发现了管道对称和反对称屈曲模态主要与管道截面不均匀部分的相对厚度和角度有关。Toscan。等人建立了三维有限元模型，分析了深水海底管道整体式止屈器的穿越压力和机理，并与试验结果进行了比较，验证了有限元法是评估整体式止屈器工作性能的有效工具。Estefen通过小比例试验结合非线性壳理论和弹塑性材料本构关系，分析评估了完好管道在外部静水压力和弯矩作用下的极限强度，以及受损管道在外部静水压力作用下的剩余强度。并应用于卷管式铺管法施工工艺对管道屈曲的影响评估。Wang对管道截面采用分段刚体连接，连接部位具有转动抗力，建立了海底管道在外部静水压力作用下的非线性差分方程，随着截面刚体段数的增加管道的屈曲压力也增大，屈曲后管道截面形状与刚体段数紧密相关。梁振庭等和YuanLin等基于非线性环理论和Newton一Raphson迭代法对深海油气管道铺设过程中在纯弯曲以及在弯曲和静水压力组合作用下的非线性屈曲问题进行了研究。图1深水S型铺设过程中管道的局部屈曲综上所述，深海油气管道铺设过程中管道的受力非常的复杂，国内外学者对管道的屈曲变形以及屈曲失稳后防止屈曲传递方面进行了较为广泛的研究，但也不尽完善，有些问题需待进一步深入的开展研究。(l)屈曲分析应当结合管道从铺管船经托管架到海床的受力变化。(2)需要全面确切地评估荷载组合、加载路径、管道的直径和径厚比、材料性能、初始椭圆率、残余应力等对管道屈曲变形的影响。(3)管道由局部屈曲发展到屈曲失稳的机理和极限承载能力，这是管道设计者最为关注的问题，国外过多的工作集中于失稳后屈曲沿管道轴向的传递。国内由于受到深海铺管技术水平、设备状况和工程设计能力的制约，已有的研究工作较多是基于浅水海域管道的设计方法和铺设受力分析。南海复杂的环境条件对海底管道铺设施工的安全性提出了更高的要求，迫切需要尽快开展这方面的研究[4]。2海底管道屈曲及其传播现象海底管道的屈曲，多数是弯曲和外部超静水压共同作用的结果。一般认为，在直径10~20倍的管道有限长度内，管道受载基本上是均匀的，在这种长度和径厚比较大范围内，该问题通常可作为一无限长的圆管问题进行分析。因此，研究无限长圆管在弯曲和外部超静水压共同作用下的屈曲及其传播现象，具有重要的工程实用意义。对局部业已损伤、形成极度椭圆、四陷或屈曲的近海烃类输送管道，由于外压的作用管道可能引起屈曲传播而遭损坏，设计应考虑防化或抑制屈曲传播的措施。事实上，近年来大量研究表明，管道的屈曲与屈曲传播问题要比上述概括复杂得多。在我们的专题研究中详细分析了管道屈曲，并认为：管道的屈曲与屈曲传播不仅在有损伤、凹陷的管道能够发生，即使几何尺寸比较完善且无重大损伤的管道也可能发生。因为管道屈山与屈曲传播现象，不仅与管道初始几何缺陷等有关，而且与其中起重要作用因素的管道铺设过程巾承受的复杂的荷载状况直接有关。此外，管材性质、几何尺寸的相对比例和水深等也是造成管道弯曲与屈曲传播现象的重要因素。管道的屈曲与屈曲传播现象不只是可能在数百米水深的海底管道上发生，在近海和浅海(例如60m水深)的管道铺设作业中也可能发生.也应考虑这种破坏现象出现的可能性。根据目前已有的研究成果和已经发生过的一些与屈曲和屈曲传播有关的管道事故的分析，有8种不同性质的控制屈心现象发生的“屈曲压力”阳〕：(1)管道在弯曲与外部超静水压共同作用下的“极值型屈曲压力”；(2)管道在弯曲与外部超静水压共同作用下的“分枝型屈曲压力”；(3)管道“初始屈曲压力”；(4)管道“屈曲传播压力”；(5)管道“湿性屈曲压力”；(6)诱发管道屈曲传播的“初始破坏屈曲压力”；(7)当管道有屈曲限制器时的“贯穿压力”；(8)管道“有约束屈曲传播压力”。管道的强度和稳定性问题，它与管材的塑性性质（屈服和硬化）有关，尤其是屈曲波形的传播和在弯曲与外部超静水压共同作用下的极值型屈曲与分枝型屈曲，都发生在管材的弹塑性变形阶段，或大塑性变形阶段(如管道屈曲传播后断而压扁呈“哑铃”状)。所以，这些问题的理论分析在学科分类属弹塑性稳定性的后屈曲问题。这就必须以大量试验研究配合才能解决工程中的实际问题[3]。管道发生屈曲传播的主要动力因素是外部超静水压，但这不是唯一的因素。因此，屈曲限制器的采用对深水管道需要，对近海或浅海管道有时也成为必要。所以近年来在海洋管道工程中对屈曲限制器的研究与开发是一重点课题。Kynakides等人提出一种新型螺旋形屈曲限制器，它适用于卷筒式铺管的连续铺设，由于它构造简单、费用低，受到工程界的欢迎。众多研究表明，管道在弯曲与外部超静水压共同作用下存在有极值型屈曲和分枝型屈曲两种失稳形态。一般，在弹塑性管材中分枝型屈曲可能发生在极值型屈曲出现之前，但两者的临界弯矩值是十分接近。3蛇形铺管形状对海底管道横向屈曲的影响海底管道在工作荷载作用下可能发生整体屈曲，限制屈曲的传统方法是应用覆盖物，即采用挖沟埋设或堆石的方法。然而，覆盖物在保护管道的同时也增加了沿管道的有效轴向力。越来越多的海底管道需要在高温、高压下运行，通过大量的覆盖物来限制隆起屈曲显得很不经济。管道在控制下屈曲的方法越来越多地应用于裸铺海底管道的设计管道在控制下的屈曲即允许管道在预设位置屈曲并使管道的后屈曲（弯矩及应变）控制在允许的范围内。蛇形铺设管道法、铺设枕木法、分布浮力法都是控制管道横向屈曲的有效方法，其中蛇形铺设法得到了最多的应用[5]。蛇形铺设管道方法的设计关键是如何更好地控制管道的屈曲，即激发沿管道预设位置发生屈曲，且将管道后屈曲的弯矩及应变控制在合理的范围以内。3.1蛇形铺管法在预定位置设置一系列水平缺陷是为了激发管道在这些位置发生屈曲，以使管道热膨胀分布在多个屈曲之间，而不是集中在少数的屈曲位置，可以有效降低管道轴向荷载。与其他控制海底管道横向屈曲的方法相比，蛇形铺管方法的优点是费用低，经济合理[1]。图2为蛇形铺管形状的示意。由图2可知，蛇形铺设管道由弯曲段及直管段两部分组成。图2蛇形普管形状3.2管道与海床的相互作用模型基于ANSYS软件建立了平坦海床上裸铺管道的非线性有限元模型，管—土相互作用模型的示意如图7所示。管道采用PIPE20管单元，可以考虑管道的材料非线性。海床与管道之间的非线性弹塑性的轴向、横向相互作用力采用COMBINE39弹簧单元模拟，因为主要研究管道横向的屈曲，所以模型中约束管道竖向的运动。图3管——土相互作用模型4基于量纲分析的管道临界屈曲应变准则研究管道局部发生屈曲或褶皱会导致管内介质流动困难,检测工具无法在管道内正常工作,甚至导致管道断裂等更严重的后果,因此,屈曲通常被认为是一种失效,临界屈曲应变也被认为是管道极限设计中的一个重要指标。管道研究者对在极限状态下管道的临界应变进行了大量的研究,得出了一系列经验公式,这些经验公式单独考虑D/t对临界应变的影响是不够的,还需要考虑其他因素的影响,如Sherman和Stephens方程只考虑了D/t的影响,预测结果偏于保守,预测精度较差。CSA662和DNV-OS-F101中的公式虽然直接或间接考虑了压力和材料性能参数,但是将临