【摘 要】
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双层海底保温管的高温热屈曲问题是深水海底管道工程的关键问题之一。严重的管道热屈曲会引起管道的失稳破坏,导致原油的凝结,进而限制了原油的传输。芯层保温管的出现为深水
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双层海底保温管的高温热屈曲问题是深水海底管道工程的关键问题之一。严重的管道热屈曲会引起管道的失稳破坏,导致原油的凝结,进而限制了原油的传输。芯层保温管的出现为深水及超深水的油气运输提供了很好的保障。由于芯层管材料选择的多样性,本文基于保温层与钢管层的抗弯刚度的比值,得到两种芯层保温管失稳模型:内管屈曲模型以及内外管一致屈曲模型。本文基于平衡法分别分析了这两种模型的屈曲及后屈曲行为,主要创新工作如下: 1、从芯层保温双层管的温度场入手,通过研究芯层保温双层管由于输送高温原油所引起的热传导问题,给出了芯层保温双层管的热传导平衡方程,并结合边界条件以及各层的材料特性,得到了芯层保温双层管热应力的解析解,求得最终的轴向、径向、以及环向应力公式。理论计算和有限元解取得了一致的结果。 2、根据钢管层与保温层刚度比值,提出了芯层保温双层管内管屈曲模型,得到了内管发生正弦屈曲以及螺旋屈曲两种屈曲方式的临界温度、临界轴向力等临界参数值。同时,基于小变形假设,提出后屈曲点、线接触模型,得到了芯层保温双层管内管屈曲模型的轴向力及内、外管失稳构件之间接触状态下,各内管挠度曲线长度、接触反力随轴向载荷变化的关系。 3、针对高刚度保温层情况,分析了芯层双层保温管发生内外管一致屈曲模型。通过有限元方法得到芯层保温双层管的等效抗弯刚度;根据平衡法方程,考虑海床的摩擦力,得到芯层保温双层管垂向和侧向屈曲临界状态的轴向力、临界温度以及屈曲时的最大幅值等。 本文首次研究了深水芯层保温双层管热屈曲的理论问题,并从工程设计的角度,阐述了深水海底管道工程抗屈曲的一般方法。所得的结果对芯层保温双层管的规范研究以及后续的工程应用有一定的指导作用。
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