向量式有限元方法在长输油气管道安全中的应用研究

• 作 者: 许雷阁
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 向量式有限元 长输管道 耦合作用 力学分析 油气输送

长输油气管道是油气输送的主要方式之一，其安全不仅关系到民众的生产生活，同时也是国家能源战略的要求。基于向量式有限元方法，本文围绕崎岖底床长输海管和穿越断层埋地管道的若干问题进行了系统研究，主要内容如下。　　1.开发了向量式有限元长输油气管道快速力学分析模型。模型利用了向量式有限元方法在处理接触、几何非线性、材料非线性、大位移问题和并行计算等方面的优势;在不同情况下引入不同的管土耦合模型，提出了适用于向量式有限元的管土动态接触算法;结合梁壳耦合算法和MPI并行技术，从减小计算量和增加计算效率两方面提高了长输管道力学分析速度。　　2.悬跨海管管土耦合作用研究。证实了本文管土动态接触算法的正确性;引入反映底床刚度和海管张力的无量纲数，修正了挪威船级社(DET NORSKEVERITAS，简称DNV)规范中的静态弯矩公式，扩大了公式的适用范围。该研究可为悬跨海管设计和安全评价提供参考依据。　　3.崎岖底床管道竖向屈曲临界力研究。考虑三种底床形状，证实了初始应力管道和无初始应力管道竖向屈曲临界力的差异;基于量纲分析和大量数值结果，拟合得到了三种崎岖形状时无初始应力管道和初始应力管道的屈曲临界力公式;证实了公式对不同管道的适用性;确定了拟合公式的无量纲适用范围和相对误差。该研究可直接用于崎岖底床高温高压管道设计。　　4.在役悬跨海管整体屈曲研究。对我国南海北部湾一段在役海管进行了不平整度分析，在此基础上讨论了危险悬跨和开挖治理效果;不平整度分析之后，模拟了该管道在高温内流作用下的整体屈曲行为，证实并研究了悬跨段海管变形和底床凸起处海管屈曲（竖向屈曲和侧向屈曲）间的耦合作用。　　5.穿越断层长输埋地管道安全研究。采用梁壳耦合算法，研究了不同形式断层作用下管道的整体响应，与前人结果进行了广泛对比，证实本文梁壳耦合算法具有与壳单元相同的计算精度。在此基础上，重点研究了以逆断层为代表的地位移作用下管道整体力学行为和局部破坏模式;讨论了穿越断层角度、断层倾角、内流压力和温度的影响，得到了不同情况下最大允许断层位移和管道破坏临界条件。该工作可为穿越断层长输埋地管道设计、运维和治理提供依据。