落物撞击下海底管道损伤的数值模拟及评估方法探讨

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论文字数:38885 论文编号:sb2021070414455836235 日期:2021-07-28 来源:硕博论文网
笔者揭示了海底管道在坠落物撞击作用下的损伤机理,得到了以下结论:1)通过模拟所得数据结果与 DNV 规范公式相比较以及整个撞击系统内部能量守恒验证了建立的有限元模型正确。2)在相同坠落物撞击作用下,管道损伤随管道直径、管道壁厚、管道钢材等级、管道内压的增加而减小;相同撞击能量时,土体不排水抗剪强度对管道损伤程度有一定影响,且管道损伤随土体不排水抗剪强度的增加而增加;而土体弹性模量对管道损伤基本没有关系。

第 1 章 绪论

1.1 论文的研究背景和选题意义
1.1.1 研究背景
全球能源经济在高速增长地稳步发展,许多国家对石油、天然气等一系列主要化石燃料能源的需求量一直在不断地增加[1]。海底石油气管道运输是目前最安全可靠的一种运输方式。海底管道主要连接着海上各个油气田的资源开采管理系统、生产集输管理系统和运输系统,而且还连接着陆地上的油气系统。海底管道作为海上油气的运输管道,每年以数万公里的速度增长,海底油气田改造和开发的快速增长说明了海底管道的重要性[2-3]。但是,海底管道也存在着日常检查维护困难、发生事故后维修困难以及造价高等缺点。
虽然目前海底管道是一种较为安全的油气运输方式,但在刚刚过去的几十年中,也已经发生了大量的海底管道故障损坏事件。海洋中的油气运输管道本身所处的生态环境条件是十分特殊和复杂的,一旦管道发生原油泄漏,会严重影响海上船舶作业与附近居民生活,导致巨大的社会经济损失,泄漏的海洋原油还可能会对整个海洋中的生态环境系统造成严重的环境污染,甚至可能会直接造成一定范围区域内海洋生态系统的严重崩溃[4-5]。据不完全统计,1992 年至 2016 年,我国发生油气管道故障事故 1300 余起,造成的直接经济损失就高达 10 亿元[6]。随着近海区域内的人类第三方活动的不断增加,管道结构可能会持续受到海底作业、平台操作、 锚定处理、拖网活动、海上运输船只等的冲击荷载作用[7-9](如图 1-1 所示)。数据分析表明,第三方活动的破坏是导致管道失效的主要风险因素之一[10-11],约 47%的管道故障是由外部冲击引起的[12](如图 1-2 所示)。
图 1-1 海上坠落物撞击海底管道 图 1-2 管道故障产生原因占比
图 1-1 海上坠落物撞击海底管道 图 1-2 管道故障产生原因占比
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
Burton 等[16]对金属管在横向(侧向)压缩载荷作用下的二维响应进行了实验和分析研究。横向载荷通过刚性板施加,并沿管道方向保持恒定。
Reid 和 Bell[17]对两种截然相反的集中压缩载荷作用下的钢管进行了试验研究。提出了一个解析模型来评估影响横向压缩载荷作用下钢管承载能力的主要参数。
Leu[18]考虑了几何非线性、塑性效应和摩擦接触等因素,用数值方法研究了侧向压缩作用下不同直径和壁厚比的铝管在两块刚性板之间的二维破坏。
Ghosh 等人[19]将这项工作扩展到研究短长管和环在相反集中载荷下的响应。用非线性有限元模拟方法研究了侧向压缩作用下不同直径与厚度比的铝管在两块刚性板之间的二维破坏。
Wierzbicki 和 Suh[20]通过一个简化的三维壳体模型,研究了管道在不同边界条件和载荷作用下凹陷变形的解析表达式。
HooFatt 和 Wierzbicki[21]分析了局部横向载荷作用下的管状构件,提出将这一问题模型转化为等效的一维问题模型来进行研究。
Zeinoddini 等[22]采用四节点壳单元,通过数值模拟研究了自由跨钢管构件在静力和动力侧向荷载作用下的响应。
Zeinoddini 等人[23]采用了参考文献[20]中提到的简化模型的修正版本,分析了管道在单一的侧向荷载作用下的响应,并给出了荷载-位移路径的简化表达式。
Brooker[24]用有限元方法模拟了管子两端受完全约束下的准静态侧向凹陷,探究了管道壁厚、管道直径、管道长度、管道屈服应力等参数对凹陷行为的影响。
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第 2 章 坠落物撞击海底管道的分析方法

2.1 能量法
根据 DNV-RP-F107 规范的描述,用凹陷的最大深度和管道直径的比值来判断海底管道的损伤程度。在此推荐做法中,把海底管道的损伤程度分为不同的损害类别:
1)轻微损坏(D1):这种情况下,凹痕最大深度为管道直径的 5%,海底管道能够正常的运行,不需要进行海底管道的修复工作,石油或者天然气也不会发生泄漏。不过当撞击发生后,要进行相关的技术检验,保证海底管道结构的完整,并且能够通过清管球。
2)中度损坏(D2):这种情况下,凹痕的最大深度超过管道直径的 5%,但并不能导致海底管道发生泄漏,可以延迟一段时间,再进行海底管道的修复,再次运行之前要进行管道结构的完整性检验。
在需要频繁清管的管道中,应该进行特殊的考虑。这种情况下,大的管道凹痕将会影响清管工作并导致停产,因此即便没有发生预期的泄漏事故,也应将这种损坏视为重大损坏(D3)而不是中度损坏(D2)。
3)重大损坏(D3):在这种情况下,会发生海底管道泄漏事故。海底管道管壁会受到坠落物的撞击损害,或者被坠落物砸破裂,这种情况下,应立即停止石油或者天然气的运输,并同时进行管道的修复工作,再次运行之前必须修复好遭受损害的海底管道,甚至替换该部分的海底管道。
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2.2数值计算法
随着科学技术的进步以及科学研究的不断增加,越来越多的国家投入了大量的人力与物力用于科学研究和工程应用,但是由于解决复杂问题时忽略了较多的影响因素,求解过程十分困难以及准确度低等问题,一些解决实际工程问题的理论模型已不能满足当前的研究要求。由于计算机技术的飞速发展,数值计算方法正变得越来越完善。现在,它已成为解决工程和科学研究领域中复杂问题的一个重要途径。数值计算方法基于微分方程和初始边界条件,并通过计算机平台离散化建立数学模型,以解决各种问题的近似解。
近年来,常见的数值计算方法主要包括离散元法和网格法等一系列先进的计算方法。作为网格法的重要组成理论,有限元法和有限差分法被广泛用于金属管碰撞问题的数值计算。有限元法是将复杂的研究对象当作连续解区域并进行离散化处理,将其划分为有限的单元体,使用插值函数获得每个单元体区域中的函数解,最后获得整个区域的近似解的数值计算方法。经过数十年的发展,许多有限元分析软件已在实际的工程和研究工作中使用,例如ANSYS,ABAQUS,ADINA等。
图 3-1 坠落物撞击海底管道分析流程图
图 3-1 坠落物撞击海底管道分析流程图

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第 3 章 坠落物撞击海底管道的数值模拟.............................21
3.1 坠落物撞击海底管道有限元模型.......................21
3.1.1 海底管道模型....................................22
3.1.2 坠落物模型..........................24
第 4 章 海底管道损伤影响因素敏感性分析...............37
4.1 引言..........................................37
4.2 管道特征对管道损伤的影响............................37
第 5 章 海底管道损伤的评估方法研究........................51
5.1 引言................................51
5.2 经验公式的提出..........................51

第 5 章 海底管道损伤的评估方法研究

5.1 引言
以上章节研究内容中虽然已经对坠落物撞击下海底管道损伤的各种影响因素逐个进行了详细的分析,但是针对坠落物撞击下海底管道损伤情况的分析是在一定条件基础上进行的单一因素影响分析,而在实际工程中,造成海底管道损伤的因素往往是多元化的,比较复杂,这种单因素的分析方法不能直接判断出导致海底管道失效的各种因素中哪些影响因素是主要的因素,不能更加直观的指导海底管道相关设计以及更加有针对性的对海底管道进行保护。此外,由于影响海底管道损伤的影响因素众多,如果对所有的影响因素全部都进行排列组合后进行计算,显而易见是不现实的。不仅所要建立的模型数量是十分庞大的,需要进行数值模拟计算的工作量也是十分艰巨的,对计算机的要求比较高,数值模拟计算的时间比较长,显然是不可行的。
针对以上情况,本章拟采用推导经验公式的方法对坠落物撞击下海底管道损伤的影响因素进行综合性的分析,为海底管道的设计提供一定的指导以及对海底管道的保护提供一定的参考依据。
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结论


本文在ABAQUS下使用显式动力非线性分析方法建立了坠落物撞击海底管道引起损伤的有限元模型,开展数值分析研究管道的直径、管道的壁厚、管道的钢材等级、管道的内压、土体不排水抗剪强度和土体弹性模量等各种因素对海底管道损伤的影响,揭示了海底管道在坠落物撞击作用下的损伤机理,得到了以下结论:
1)通过模拟所得数据结果与 DNV 规范公式相比较以及整个撞击系统内部能量守恒验证了建立的有限元模型正确。
2)在相同坠落物撞击作用下,管道损伤随管道直径、管道壁厚、管道钢材等级、管道内压的增加而减小;相同撞击能量时,土体不排水抗剪强度对管道损伤程度有一定影响,且管道损伤随土体不排水抗剪强度的增加而增加;而土体弹性模量对管道损伤基本没有关系。
3)管道塑性变形能与管道损伤两者之间存在一定的关系,随着管道吸收塑性变形能的增加,管道的损伤也逐渐的增加,而且管道塑性变形能与管道损伤两者之间的关系是一种非线性关系。
4)管道的直径、管道的壁厚、管道的钢材等级、管道的内压全都影响着管道塑性变形能量与管道损伤关系,管道吸收相同的塑性变形能时,管道损伤程度随管道直径、管道壁厚、管道钢材等级、管道内压增加逐渐减小;土体不排水抗剪强度和弹性模量对管道塑性变形能量与管道损伤的关系曲线基本没有影响。
5)综合上述研究,提出了一个考虑土体海床作用下坠落物体对海底管道塑性变形能与管道损伤关系的经验公式来评估海底管道的损伤程度。
参考文献(略)


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