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土相互感化對海底管道橫向屈曲的影響

2019-10-31 11:02   评论:51 点击:763
  中國鋼管信息港公司獲悉: 直管道隆起及橫向屈曲臨界載荷的計算公式,其研究基於小坡角、線彈性假設,且沒有考慮初始幾何缺陷的影響。TaylorN和TranV對海底管道的隆起屈曲進行了理論和試驗研究,分別針對3種不同的缺陷,長輸管道的河流穿越是設計建設中所麵臨的首要題目。如何科學利用長輸管道河流穿越技術進行長輸管道建設是管道設計施工的首要工作 。本文從長輸管道河流穿越需求分析進手,對長輸管道河流穿越技術利用進行了扼要論述 。
  
  在現代油氣資本綜合利用理論指導下,我國油氣資本長輸管道建設工程不斷增加。在長輸管道的設計與建設中,不可避免的會碰到河流阻礙等情況。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應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,公道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首要分為開挖穿越及非開挖穿越兩種。能夠采用定向鑽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鑽等施工要求時才考了考慮開挖施工方式,以環保理論的綜合應用減少工程建設對生態環境的影響、實現工程建設目的。給出了管道的臨界屈曲載荷,並通過試驗對理論研究進行驗證 。amesGAC采用簡化模型研究了隆起熱屈曲,考慮初始幾何缺陷及殘餘應力影響,給出了管道隆起屈曲段臨界載荷的計算公式。但是整體屈曲理論研究公式僅可用於計算管道臨界屈曲載荷,而無法用於分析管道後屈曲對變形、應變及彎矩的影響。管-土相互感化參數對海底管道後屈曲的影響分析需要采用有限元方法。是以,筆者基於AN-SYS建立了平坦海床上***展管道的非線性有限元模型,具體分析了管-土相互感化參數對海底管道前屈曲及後屈曲的影響 。
  
  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。整體屈曲分析首要研究屈曲段的變形,是以管道屈曲段單元長度取1倍管道外徑,屈曲段以外單元長度逐步增加。
  
  管道鋼材料的應力-應變關係采用Ramberg-Os-good本構關係,可以表示為:-材料的硬化係數;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“長間隔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-最大橫向位移關係曲線為橫向摩擦因數對管道後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為管道截麵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步縮短,即管道的橫E―彈性模量 。
  
  X65號鋼的應力-應變關係曲線如所示。
  
  X65號鋼應力-應變關係曲線1.2土體模型由於土體的高度非線性且管道極易變形,所以管-土之間的相互感化極為複雜。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***展管道的橫向屈曲首要在水平麵內發生,所以隻需建立二維平麵模型。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/橫向相互感化力采用彈簧單元模擬,土彈簧單元的力-立移關係如所示。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感化的軸向/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。
  
  中國鋼管信息港公司獲悉:管-土相互感化模型如所示。海床與管道之間的非線性彈塑性的軸向/橫向相互感化力采用Combine39彈簧單元模擬,管道采用Pipe20號管單元模擬。由於首要研究管道橫向的屈曲 ,所以模型中束縛管道豎向的活動。引人初始幾何缺陷後的管道有限元剖分如所示。
  
  管道有限元剖分管-土相互感化的影響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、沉沒重力900N/m,熱膨脹係數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-最大橫向位移關係曲線。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。是以,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,海床對管道的束縛越大,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束縛越大 ,管道後屈曲的彎矩及應變越大。
  
  管道長度/mc.軸向總應變橫向摩擦因數對管道後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後屈曲響應的影響曲線 。其中,a為管道變形 ,b為沿管道分布的彎矩曲線,c為管道截麵90°位置的軸向總應變。 不同軸向摩擦因數對應的管道後屈曲的變形、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。是以有必要研究土體屈服位移對管道前屈曲及後屈曲的影響。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。
  
  中國鋼管信息港公司獲悉: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後屈曲響應的影響曲線。其中, 為沿管道的變形曲線,0b為沿管道分布的彎矩曲線,c為管道截麵90°位置的軸向總應變。

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