深水海底管道的抗压溃屈曲性能试验研究

合集下载

深水高强厚壁海底管道抗压溃能力评估方法研究

深水高强厚壁海底管道抗压溃能力评估方法研究曹先凡;曹文冉;赵开龙;徐爽;刘振纹【摘要】深水海底管道一般采用高强钢厚壁管来克服其承受的静水压力，基于高压舱评估其抗压溃能力是一个重要的手段。

由于试件两端采用加强板固定，改变了服役环境下管道的边界条件，因此需要分析刚性边界对其抗压溃能力的影响。

采用数值模拟方法给出管道服役和试验环境下的抗压溃能力，通过两者的比值，定量给出刚性边界的影响。

结合高压舱测试数据，形成了一套高强厚壁管道抗压溃能力的评估方法，可以评价管道的抗压溃能力。

%The deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio is usually used to overcome the hy-drostatic pressure and its buckling evaluation can be achieved base on the hyperbaric chamber experiment. There is a great difference between the specimen in laboratory and the pipeline in the service for the specimen is fixed by use of rigid plate. It is necessary to analyze this influence caused by the rigid boundary condition. The ratio of buckling bear-ing capability of the specimen in laboratory and the pipeline in the service was calculated by numerical simulation method,which can evaluate the influence of the rigid boundary condition. Based on the ratio and the buckling bearing capability obtained from specimen,the buckling bearing capability of online pipeline can be achieved. The method has been used to evaluate the buckling bearing capability of deepwater high-strength pipeline with small radius-thickness ratio.【期刊名称】《天津科技》【年(卷),期】2016(043)010【总页数】4页(P142-145)【关键词】数值模拟;高压舱;高强厚壁管道;抗压溃能力;边界效应【作者】曹先凡;曹文冉;赵开龙;徐爽;刘振纹【作者单位】中国石油集团工程技术研究院天津300456; 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室天津300456;中国石油集团工程技术研究院天津300456; 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室天津300456;中国石油集团工程技术研究院天津300456; 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室天津300456;中国石油集团工程技术研究院天津300456; 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室天津300456;中国石油集团工程技术研究院天津300456; 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室天津300456【正文语种】中文【中图分类】TE973自从1954年Brown&Root公司在美国墨西哥湾铺设第一条海底管线以来，世界各国铺设的海底管线总长度已达十几万公里，铺设深度已至上千米。

海洋非黏结柔性软管压溃试验方法研究

Vol. 6 , No. 4Aug. , 2019第6卷第4期2019年8月海洋工程装备与技术OCEAN ENGINEERING EQUIPMENT AND TECHNOLOGY海洋非黏结柔性软管压溃试验方法研究孙大林】，刘栋杰2,宋平娜2,徐朋朋1李高1(1.无棣海忠软管制造有限公司，滨州251900； 2.天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津300384)摘要非黏接性柔性软管(以下简称软管)是指应用于海洋中的介质输送管道，由不同的功能层组成，抗外压性能(海水压力)是软管的一项重要指标％设计完成后，需要对软管的抗外压性能进行验证比对，以确认设计和生产的准确性和保守性，如何准确得到软管的真实抗外压性能是至关重要的。

本文通过试验比对，验证了 API 17B 中提到的两种试验方法，确认了最终的试验方法，提高了试验数据的准确性。

关键字软管；压溃；非黏结软管中图分类号：TE973 文献标志码：A 文章编号：2095-7297(2019)04-0662-05doi : 10. 12087/oeet. 2095-7297. 2019. 04. 09Collapse Test Method of Unbonded Flexible PipeSun Da-lin 1 , Liu Dong-jie 1 Song Ping-na 2 , Xu Peng-peng 2 , Li Gao 2(1. Neptune Offshore Engineering Development Co. , Ltd . , Tianjin 300384 ,China ； 2. Wudi Hizen Flexible Pipe Manufacturing Co. , Ltd. , Binzhou 251900, China )Abstract Unbounded flexible pipe contains different function layers. The innermost layer carcass is designed toresist the external pressure. The resistance to collapse (sea water pressure) is an important index of flexible pipe. After the design is completed, the resistance performance (collapse pressure) needs to be verified and compared toconfirm the accuracy and conservatism of the design and production. It is very important that how to get the true collapse pressure. This paper verified the two test methods mentioned in API 17B through test comparison , confirmed3hefinal es3mehod "andimproved3heaccuracyof3es daa.Key words flexible pipe ； collapse ； unbonded flexible pipe0引言随着海洋资源的开发，深海开发的项目越来越多，而深海管道作为深海开发项目的一个关键结构越来越受到重视。

深水海底用管管环压溃试验可行性分析

徐亮（1 9 8 1 - ) , 男，工学硕士，工程师，主要从事油气管道的理化检测技术研究工作。
动式橡胶 ”密封，试验段长 2 m，承压能力不足 1 MPa; 天津大学自主研制了深水石油专用构件的全尺寸试验装置 (深海压力舱），该装置总长 11.5m, 承压能力 43 MPa, 利用该装置进行了规格为 0325 mmxlO mm、0325 mmx6 mm、$406 mmxlO mm, 管道长度为 8 m 的全尺寸管道压溃试验[14]; 龚顺风 [15] 等采用密闭的压力缸进行了规格为010.62 mmxO.5 mm、011.12 mmx0.56 mm、$11.42 mmx0.51 mm, 长度为 200 mm 316不锈钢钢管的压溃试验，压力缸内径为 80 mm、高度为 300 mm, 缸体可以承受 50 MPa的内压；宝鸡石油钢管有限责任公司（简称宝鸡石油 )设计制造的深海高压模拟试验舱Caimeng, WU Shaoquan, OU Guangchao ( Pabo Testing Technology Service Co., Ltd., Zhuhai 519050, China )
Abstract ： In light of the fact that the full-scale steel pipe collapse test has such advantages as stringent testing
关键词：管线管；深水；压溃试验；管环；椭圆度；壁厚精度中图分类号：TG 115.5 文献标志码： B 文章编号：1 0 0 1 -2 3 1 1 (2 0 1 9 )0 5 -0 0 7 1 -0 5

深水海底管道全尺寸压溃试验及数值模拟

深水海底管道全尺寸压溃试验及数值模拟余建星;卞雪航;余杨;杨源;王永更【摘要】To solve the problem of collapse of deepwater pipeline, deepwater pipeline buckling experimental equipment was designed and manufactured with the maximum pressure of 43 Mpa, the total length of 11.5 m and the diameter of 1.6 m. With the equipment, lots of full-scale pipe collapse tests were designed and done. ANSYS software was used to build a 3-dimentional cylindrical shell model for numerical simulation of pipe collapse. The experimental results were compared with the simulation results to study the factors in influencing pipe collapse. The study results show that pipe collapse load significantly increases with the decrease ofthe diameter-thickness ratio of the pipe. Single point defect has little effect on pipe collapse load, but initial ovality defect reduces pipe collapse load.%针对深水海底管道压渍问题,研制了深水海底管道屈曲试验装置,该装置可承受水压43 MPa,全长11.5m,直径1.6m.使用该装置设计并开展了全尺寸管道压溃试验.利用ANSYS软件建立三维圆柱壳模型进行管道压溃数值模拟分析,并将试验结果与数值模拟结果进行对比,来研究径厚比、初始凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等因素对管道压溃的影响.结果表明,管道压溃载荷随着径厚比的增大而显著降低,单个点状凹坑缺陷对于管道压溃载荷影响较小,初始椭圆度缺陷则明显降低了管道的压溃载荷.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2012(045)002【总页数】6页(P154-159)【关键词】深水管道;管道屈曲;压溃;全尺寸试验;数值模拟【作者】余建星;卞雪航;余杨;杨源;王永更【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TE53用于油气输运的深海管道承受着自重、外部静水压力、管道内外温度差异引起的热膨胀力、覆盖物及海床作用力等诸多载荷．在设计时，选择壁厚较大的管道可以增强其抵抗屈曲的能力，但是会造成管道自重增加，也加大了管道安装维护的技术难度和开支．针对管道抗屈曲设计问题，国内外许多学者对多种敏感性因素影响下的海底管道屈曲进行了研究．Timoshenko等[1]给出了均匀厚度圆形薄壳受外部静水压力作用产生屈曲的平面应变经典解；Kyriakides等[2]分析了管道在弯曲和外部静水压力组合作用下的非弹性屈曲问题；Sakakibara等[3]研究了外压作用下含局部损伤缺陷管道的屈曲行为；Suzuki等[4]则对受轴向压力和弯矩时管道的局部屈曲行为进行了研究．在国内，陈铁云等[5]运用边界层理论，同时考虑非线性前屈曲变形和初始几何缺陷的影响对受轴向压力和侧压的各种材料圆柱曲板的结构稳定性进行了分析．目前，管道屈曲理论研究还处于探索阶段，迫切需要通过试验手段来验证和优化当前的理论．在试验研究方面，国内外很多学者也做出了贡献[6-8]．美国的Kyriakides等[6]进行了外压和弯曲联合作用时管道屈曲试验，试验装置主体是一个充水压力筒，用于模拟海底压力环境．试验段长度为 1.8 m，内部直径 510 mm，承压能力 34.5,MPa．在其内部还有一个管道弯曲加载机构，用于管道弯曲加载，该装置主要用于直径 25～50,mm(1～2,in)，最大长度为 1.041,m的小尺度管件试验．加拿大研制出一款 C-FER深水压力舱[7]，该压力舱主要结构包括主舱体、带螺纹的端盖、以及舱体内部的载荷施加装置等．可以在水压环境下对试件施加拉伸，压缩，扭转及弯曲载荷进行管道屈曲试验．在国内，大连大学的周承倜等[8]利用压力容器和千斤顶等装置进行了 529,mm(约20,in)管道的屈曲试验，其主体也是一个充水压力容器，管道与压力容器连接处采用“活动式橡胶”密封，试验段长 2,m，承压能力不足 1,MPa．目前，国内外管道屈曲试验装置主尺寸普遍较小，多以小比例模型试验为主，大多设备试验段长度较短且加压能力不高．笔者重点介绍了天津大学深海压力舱的结构组成及原理，并以此为基础，综合考虑了深水高压环境下，管道径厚比、凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等敏感性因素对管道压溃的影响，设计了深海管道全尺寸压溃试验方案，并采用ANSYS有限元软件建立管道的三维圆柱壳模型，与试验结果进行了对比论证．1 天津大学深海压力舱天津大学自主研制了深水石油专用构件的全尺寸试验装置——深海压力舱．该装置总长 11.5,m，承压能力 43,MPa(相当于 4 300,m 水深压力)，内部充水，可容纳1∶1等比例管道模型进行试验，能对管道试件施加轴向力等多种载荷，内部安装深海摄像机，可进行试验全程视频监控与记录．1.1 深海压力舱的结构及组成天津大学深海压力舱主要由舱体机构、试验保障系统、试验测量系统组成，舱体机构包括压力舱前端盖、尾部密封端、舱内输送管件滑车和导轨、轴向力加载油压机、舱体测试连接开孔等，如图1所示．试验保障机构用于试验载荷施加与安全运行，如压力舱体注水排气、增压稳压等．其组成包括增压稳压系统、蓄排水槽、低压排水泵、高压截止排气阀、油压泵、电控系统、卸压阀、比例式减压安全阀．图1 天津大学深海压力舱Fig.1 Deepwater pressure chamber in Tianjin University试验测量系统则用于试验全程视频、数据监控与记录，是整个试验装置的输出终端．包括舱体内部压力传感器、用于应变数据采集的应变仪、应变片、内置6,000,m水深专用的高亮深海摄像机、信号采集器、试验数据处理及输出的软件平台．1.2 试验方案设计试验中选取了不同径厚比、含不同初始缺陷的管件进行试验．研究了径厚比、初始缺陷等敏感性因素对管件压溃载荷的影响．管道在安装与运行过程中，由于碰撞、海水腐蚀等可能会产生局部点状损伤，因此，在一部分管件的中心位置制造了不同尺寸的单个凹坑，研究局部点状损伤对管道压溃载荷的影响．另外，管件由于制造过程中的误差、铺管过程中管件弯曲导致的局部截面变形，会使管道产生一定的椭圆度，本试验选取了几组管道，用机械磨具挤压管道中间截面制造椭圆度缺陷，研究初始椭圆度对管件压溃临界载荷的影响．磨具宽度为 20,cm，所以压制出的椭圆度缺陷长度为20,cm，试验管道长为 8,m，在这一试验管长下，将椭圆度缺陷设置在了管道中心位置，避免了边界效应的影响．本文只研究管道的压溃压力，即管道局部截面压溃的临界载荷，椭圆度缺陷长度对压溃结果的影响可不予考虑，椭圆度缺陷位置及长度的设置均能保证试验结果的准确性．管道尺寸及缺陷参数见表1．表1 试验管件尺寸及加载参数Tab.1 Size of the specimen and the test load注：① 具体缺陷形式及缺陷位置、尺寸见图2．②“10×2”表示圆凹坑直径10,mm，深 2,mm；“20×3”表示圆凹坑直径20,mm，深3,mm．③ 含椭圆度缺陷截面的轴向长度为20,cm．管道直径/mm(in)壁厚/mm 径厚比初始缺陷试验施加载荷/MPa 10 32.5 325(12)无缺陷10×2圆形凹坑20×3圆形凹坑5%椭圆度6 54.0无缺陷10×2圆形凹坑20×3圆形凹坑5%椭圆度0～30静水压力406(16) 10 40.6无缺陷10×2圆形凹坑20×3圆形凹坑5%椭圆度图2 试件缺陷设置Fig.2 Defects on the specimen确定试验模型后，设计试验流程．整个试验流程包括管件前期处理、安装、压力舱密封、注水、加压测试、卸压排水、拆卸管件和试验后测量8个阶段．2 静水压作用下管道压溃数值模拟2.1 ANSYS数值模拟技术本研究使用ANSYS软件对静水压作用下管道的压溃进行数值模拟分析．在试验前，采用 ANSYS特征值屈曲分析来预测静水压作用下管件的压溃载荷，作为试验加载的参考值；得出试验结果后，采用非线性屈曲分析模块计算出精确结果并与试验结果进行比较分析．国内外学者多用圆环和圆柱壳模型进行海底管道的数值模拟分析，在国内，贾旭等[9]建立圆环模型对海底单层保温管道进行了压溃分析，圆环模型计算简便，但是忽略了管道的轴向薄膜拉伸作用．曹静等[10]则采用三维单元建立管道有限元模型，对单重保温海底管线铺设过程进行了压溃分析，本文建立三维圆柱壳模型对管道压溃进行了计算分析．2.2 数值模拟模型为了便于对比，三维圆柱壳模型尺寸、约束形式与试验管道相同．试验与数值模拟模型管长均为8,m．选取 shell181单元，在管件外表面施加均匀水压，先对不同尺寸和缺陷的管件进行特征值屈曲分析，再给管件模型施加一微小扰动，打开非线性选项，进行非线性屈曲分析．模型如图3所示．图3 数值模拟三维圆柱壳模型Fig.3 3D numerical simulation model3 管道压溃试验与数值模拟结果分析选取不同尺寸、不同缺陷形式的管道，施加外静水压力进行试验，通过测试系统读取试验结果，将试验结果与数值模拟结果进行对比分析．3.1 管件压溃试验水压曲线在试验初始阶段，压力舱体注满水后，通过控制台使加压系统运转，舱体内的水压逐渐上升，试验压力-时间历程曲线是逐渐上扬的，当水压加载到某一值时，舱内传出响亮的钢管压溃声音．此时，舱体内部水压骤降，达到或接近零．这个峰值即为管件的压溃载荷，整个试验过程的压力-时间曲线如图4所示，读取水压曲线峰值即可获得管道试验压溃载荷．图4 管道压溃试验水压曲线Fig.4 Water pressure curve of the collapse test 3.2 管道压溃载荷图5 数值模拟节点载荷-位移曲线Fig.5 Node load-displacement curves of the numerical simulation图 5为 3种不同径厚比无缺陷管件的非线性数值模拟结果(325×10分别表示管件的直径和壁厚)．图中曲线为管件中间率先压溃节点的载荷-位移变化曲线，横坐标代表节点位移，纵坐标为载荷因子，从图中曲线可以看出，初始阶段，随着外水压力增加，管件处于弹性变形阶段，位移变化很小，当达到一定的水压时，管件结构失稳，很小的载荷增量引起大幅的位移变化，此时，管件压溃．曲线拐点即为管道压溃载荷的非线性结果．不同管道试验与数值模拟分析得出的压溃载荷结果如表2所示．表2 管件压溃载荷结果列表Tab.2 Results of the pipe collapse load管道直径/mm(in)壁厚/mm径厚比初始缺陷试验压溃载荷/MPa数值模拟结果/MPa误差率/%10 32.5 325(12)无缺陷10×2圆形凹坑20×3圆形凹坑5%椭圆度10.159 10.131 9.942 7.843 10.55 10.49 10.22 8.05 3.71 3.39 2.72 2.57 6 54.0无缺陷10×2圆形凹坑20×3圆形凹坑5%椭圆度1.872 1.869 1.763 1.354 1.96 1.92 1.85 1.40 4.49 2.66 4.70 3.29 406(16) 10 40.6无缺陷10×2圆形凹坑20×3圆形凹坑5%椭圆度5.220 4.958 4.879 3.458 5.85 5.70 5.39 3.95 10.77 13.029.48 12.463.3 管道屈曲敏感性因素分析由于制造误差等因素的影响，试验管件各截面上仍然会存在小的初始椭圆度．实验前，在每根无缺陷管件上均匀选取 10个截面进行椭圆度测量，经过实际测量，无缺陷管件的最大初始椭圆度在 0.2%～0.3%之间，在数值模拟中引入实测最大椭圆度，建立一致椭圆度模型，即管道模型的任意截面其椭圆度都是相等的，计算得出无缺陷管件的非线性压溃载荷，与试验结果的对比曲线如图 6所示．从图 6和表2可知，管件压溃载荷随径厚比变化趋势基本一致，试验结果比数值模拟结果略低，但是大体吻合．随着径厚比的增大，管件压溃载荷显著降低．试验结果偏低是因为试验管件由于制造误差导致的壁厚分布不均匀，管材内部杂质等导致压溃载荷下降．图6 不同径厚比无缺陷管件试验与数值模拟结果Fig.6 Results of different D/t ratios pipe without defects图 7为不同尺寸含缺陷管道压溃载荷试验结果与数值模拟结果的对比．从图中可看出，对于相同径厚比的管道，单个点状凹坑缺陷仅使管道压溃载荷有微小降低，这是因为单个点状凹坑缺陷的面积占整个管件外表面积的比例很小，缺陷面积只占管件外表面积的 0.003%～0.015%，不足以影响压溃临界载荷．而在管件中段施加 5%椭圆度后，管件压溃载荷明显降低．同样，试验结果略低于数值模拟结果．图7 试验与数值模拟结果对比Fig.7 Comparison of results between the test and numerical simulation3.4 管件变形试验后，拆卸下试验管件并对其变形情况进行人工测量，图8为325×10管件的压溃变形曲线，其他几组管件的变形曲线与此类似．由图 8可以看出，压溃后的管件可分为未压溃段、过渡段、完全压溃段．由于管件两端对称约束，所有初始缺陷都设置在管件中段，所以管件最大变形位置在中段．图8 试验管件变形曲线Fig.8 Displacement curve of the specimen图 9为管件压溃试验前后及数值模拟得到的管道变形对比，试验变形与数值模拟的变形是一致的．图9 试验与数值模拟变形对比Fig.9 Shape of the test specimen and numerical simulation model4 结论(1)外水压作用下管道压溃载荷的数值模拟结果接近试验结果，其对管件径厚比、初始凹坑缺陷和椭圆度缺陷等敏感性因素影响管件压溃载荷趋势的预测与试验结果相符．(2) 试验和数值模拟结果证实，管道压溃载荷随管道径厚比(D/t)的增大而显著降低．(3) 单个点状凹坑缺陷占整根管件外表面积比例很小，对于管件压溃载荷影响也很小；局部较浅的管外壁损伤不会影响海底管道的整体运行，但当管道表面大面积腐蚀和损伤时，应该及时进行管道检修；椭圆度缺陷对于管道压溃载荷的影响显著，应该尽量避免管道在制造、运输和安装时产生椭圆化变形，对于已经发生小椭圆化变形截面应加强保护和检测．【相关文献】［1］ Timoshenko S P，Gere J M. Theory of Elastic Stability[M]. New York：MeGraw-Hill，1961.［2］ Corona E，Kyriakides S. On the collapse of inelastic tubes under combined bending and pressure[J]. International Journal of Solids and Structures，1988，24(5)：505-535. ［3］ Sakakibara N，Kyriakides S，Corona E. Collapse of partially corroded or worn pipe under external pressure[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2008，50(12)：1586-1597.［4］ Suzuki Nobuhisa，Muraoka Ryuji，Glover Alan，et al.Local buckling behavior ofX100 linepipes[C]// ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanicsand Arctic Engineering(OMAE2003). Cancun，Mexico，2003，3：67-76.［5］陈铁云，沈惠申. 结构的屈曲[M]. 上海：上海科学技术文献出版社，1993.Chen Tieyun，Shen Huishen. Buckling of the Structure[M]. Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Literature Press，1993(in Chinese).［6］ Kyriakides S，Corona E. Mechanics of Offshore Pipelines[M]. Oxford：Elsevier Science Ltd，2007.［7］ Toscano R G，Timms C M，Dvorkin E N，et al. Determination of the collapse and propagation pressure of ultra-deepwater pipelines[C]// ASME 2003 22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE2003). Cancun，Mexico，2003，2：721-729.［8］周承倜，马良. 529 mm管道在弯曲与外压共同作用下全尺寸的实测实验[J]. 油气储运，1990，9(5)：33-40.Zhou Chengti，Ma Liang. The practical test on the full scale 529 mm pipeline with combined actions of bending and external pressure[J]. Oil and Gas Storage and Transportation，1990，9(5)：33-40(in Chinese).［9］贾旭，侯静，田英辉. 静水压力作用下海底单层保温管道压溃屈曲分析[J]. 中国海上油气，2006，18(5)：341-343，352.Jia Xu，Hou Jing，Tian Yinghui. The buckling analysis on single layer insulation pipeline acting by external hydrostatic pressure[J]. China Offshore Oil and Gas，2006，18(5)：341-343，352(in Chinese).［10］曹静，王章岭，田英辉，等. 单重保温海底管线铺设过程中的压溃分析[J]. 中国造船，2006，47(增)：351-358.Cao Jing，Wang Zhangling，Tian Yinghui，et al.Crushing analysis during single insulated pipeline laying[J]. Shipbuilding of China，2006，47(Suppl)：351-358(in Chinese).。

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Advances on local & global buckling of subsea pipelinesAbstract：When the laying of submarine pipes, there often existence a long period of the suspension span between the seabed and pipe laying ship channel, which length have realated to the depth of water. In spanning the original tubes may often be due to the process or installation or damage caused by depression, while local buckling phenomena occur. Once this form of local buckling in the pipeline made, it will be vulnerable to the external role of super-hydrostatic pressure along the pipeline buckling of vertical spread rapidly, causing the spread of harmful larger type buckling. This will seriously impede the normal operation of pipeline and cause large economic losses. This paper briefly reviews the domestic and buckling of submarine pipelines progress.Key words：Pipe laying Buckling Super-hydrostatic pressure1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。

含凹陷海底管道安全评价与屈曲机理研究现状

含凹陷海底管道安全评价与屈曲机理研究现状何璇;钱峰;叶皓;颜孙挺;金志江【摘要】凹陷是海底管道受到外部挤压或碰撞而产生的几何缺陷,是造成海底管道失效的主要原因之一.为了提供一定的海底管道设计、制造、安装及运行监测的参考依据,文中从安全评价方法与屈曲机理两方面总结了近年来国内外的研究进展,阐述了基于深度和应变模型的纯凹陷和含其它缺陷凹陷的评估方法,介绍了含凹陷海底管道在纯外压、纯弯矩和内压+弯矩载荷作用下的屈曲机理研究现状.在此基础上,提出目前研究还不够全面,并指出可以考虑基于应变、应力的双重准则和其他缺陷的具体影响,以及国内安全性评价准则建立的必要性;同时提出多种载荷作用下的屈曲机理研究是今后发展的趋势.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2014(032)006【总页数】6页(P120-125)【关键词】海底管道;凹陷;安全评估;屈曲分析【作者】何璇;钱峰;叶皓;颜孙挺;金志江【作者单位】浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027;浙江玉泉环境工程有限公司,浙江湖州313023;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027;浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TE973.6外部的损伤很大程度上影响了海底管道正常作业的能力和效率。

在西欧和北美，海岸上和近海油气管道最常见的损伤和失效原因就是外部干扰和腐蚀［1］127。

凹陷是海底管道几何缺陷最常见的形式之一。

在管道运营周期的各个阶段都有可能形成凹陷，它是管壁受外部挤压或者碰撞(例如近海施工、海上落物冲击、船舶起抛锚作业、拖网捕鱼和海洋开发等等)而产生径向位移形成的凹坑，是由于管壁永久塑性变形而使其横截面发生的总的变形［2］。

凹陷将直接影响管道的局部应变、疲劳寿命以及剩余强度，给管道的安全运行带来潜在的危害［3］。

一旦在海底管道上发现凹陷或者局部变形，就需要对其结构完整性进行评估，预测该缺陷的危险性。

深海管线用X70厚壁管线钢的组织及性能分析

深海管线用X70厚壁管线钢的组织及性能分析牛爱军;罗卓辉;毕宗岳;牛辉;黄晓辉;刘海璋【摘要】Through analysis of deep-sea pipeline service conditions,it summarized the technical characteristics of deep-sea pipeline steel,and showed that high strength, heavy wall thickness and small diameter-thickness ratio are the development trend for deep-sea pipeline steel pipe. By using high Mn,low C and Nb,Ti micro-alloying composition design,and TMCP process,the X70 pipeline steel with 36.5 mm thickness used in deep-sea pipeline was developed. The main microstructure of full thickness consists of uniform fine acicular ferrite and a small number of M/A island. The yield strength of steel plate arrives 480~550 MPa,the yieldratio≤0.82,the impact energy over 410 J at -20 ℃,the fiber fracture rate i s 100% of horizontal and vertical DWTT, which achieves good matching with high strength,low yield ratio,high toughness and excellent dynamic tear resistance at low temperature.%通过对深海管线服役工况的分析，总结了深海用管线钢的技术特点，表明高强度、大壁厚、小径厚比管线钢管是深海用管线钢管的发展趋向。

深水管道在动力载荷作用下的局部压溃特性研究

深水管道在动力载荷作用下的局部压溃特性研究赵保磊;余建星;孙震洲;高静坤;刘浩【摘要】A Pipeline in deep water usually suffers the combined action of both external pressure and dynamic loading.Its local collapse behavior in this state remains to be explored.Here,a pipeline numerical model was established.The pipeline's buckling process was simulated and the critical dynamic load amplitude was obtained.In addition,the sensitivity factors affecting the pipeline's local buckling,such as,dynamic load frequency,external pressure value,pipeline length,and initial elliptical defect were analyzed.Results showed that decrease in the loadbearing capacity of the pipeline due to vibration of the pipeline cross-section shell is the main cause to excite its local pressure collapse;the pipeline damage due to dynamic load is larger than that due to static load,the pipeline's local collapse happens more easily when the dynamic load frequency is close to the natural frequency of the pipeline's crosssection shell;decrease in the pipeline's length can reduce greatly the possibility of the pipeline's local collapse under dynamic loading.%管道在深水环境中易遭受外压和动力载荷的联合作用,该状态下结构的局部压溃特性还有待与深入探索.建立了管道数值模型,模拟结构屈曲过程并得到临界动力载荷幅值;对影响管道局部屈曲的动力载荷频率、外压大小、管道长度、初始椭圆度缺陷等敏感性因素进行了分析.结果表明,管道截面壳振动使管道承载能力下降是诱发局部压溃的主因,动力载荷对管道的危害大于静力载荷,动力载荷频率接近于截面壳振动频率最易引发局部压溃,管道长度降低可以大大降低动力作用下局部压溃的可能性.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)017【总页数】8页(P104-110,133)【关键词】深水管道;管道压溃;动力载荷;数值模拟【作者】赵保磊;余建星;孙震洲;高静坤;刘浩【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;中海石油深海开发有限公司,深圳518067;中海石油深海开发有限公司,深圳518067【正文语种】中文【中图分类】TE53随着技术和材料的不断发展和应用，目前海底管道的柔度相对越来越大，管道壁厚越来越薄。

基于水下超声测距方法的海底管道屈曲变形测量技术研究

海底管道是海上油气田系统的主要组成部分[1]。

随着服役年限的增加或由于人为因素及自然灾害等外力影响，管道会产生不同程度的屈曲变形[2]。

为防止受损海底管道进一步变形或破损而造成环境污染及经济损失，一般根据管道受损程度及状态采取适宜的维修方式，以保障管道运行安全[3]。

因此，精准测量管道受损状态、获取管道屈曲变形的特征数据并据此评估管道的损伤程度，对管道维修和保障管道运行安全至关重要。

在海况条件良好的海域，海底管道屈曲变形测量通常采用潜水员观察探摸法、ROV/AUV 辅助目视摄像法以及激光、声呐等常规测绘方法[4-5]，但对于高浑浊度、低能见度以及高流速等海况条件恶劣的作业海域，常规的测量方法通常难以适用或无法满足工程测量精度的要求。

本文依据水下超声测距原理，针对恶劣海况下海底管道变形测量精度、作业效率及施工安全性需求，研究海底管道屈曲变形精确测量技术，以期为复杂海域海底管道屈曲变形修复工程施工提供切实可行的技术手段。

DOI ：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.06.004基于水下超声测距方法的海底管道屈曲变形测量技术研究王克宽1，2，段瑞彬1，2，何亚章1，2，于德周3，王来臻1，21.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津3004512.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津3004513.中国石油集团海洋工程有限公司海洋工程事业部，山东青岛266555摘要：针对浑浊海域海底管道屈曲变形缺陷测量，提出以超声测距为技术基础的海底管道变形精准测量方法，建立海底管道与测量传感器的统一水下坐标系，在此基础上构建管道外表面三维模型，为管道变形要素计算提供依据。

在水下超声声速修正的基础上提出了测量精度控制措施，设计了两种超声测量换能器及测量系统，并进行了工程应用，对工程中海底管道变形进行了现场测量。

测量结果表明，超声测量系统在施工海域出现高浑浊度、低能见度以及高流速等恶劣海况条件下运行良好，具有较高的测量精度，变形管道的三维模型构建误差小，能够准确计算管道的变形特征，满足工程应用要求，可为海底管道维修提供有效的数据支持。

深水海底管道屈曲扩展非线性有限元分析

=42-)06- 4:/=%J&0J3 43567$ UN=JQ'0'U=J=V=;=0UJ:0:VT/'/J&0JUN=J<KW9V'0?JS>&S:?:U'&0J'0J%==SX:U=>JS'S=V'0=/JX:/JS=>1 Q&>;=%)J I0J UN=J Q'0'U=J =V=;=0UJ :0:VT/'/$ UN=J 8'9/J ;=UN&%J X:/J K/=%J U&J /';KV:U=J UN=J S>&W=//J &QJ /T/U=;:U'WJ W&VV:S/=J :0%J <KW9V'0?JS>&S:?:U'&0J'0J/K<;:>'0=JS'S=V'0=JX'UNJ'0'U':VJ&Y:V'UTJ';S=>Q=WU'&0$ W&0/'%=>'0?JUN=J0&0V'0=:>J;:U=>':VJW&0/U'UKU'Y=J >=V:U'&0J &QJ 8:;<=>?1@/?&&%)J FN=J >=V:U'&0/N'SJ <=UX==0J UN=J <KW9V'0?J S>&S:?:U'&0J S>=//K>=J :0%J UN=J %':;=U=>J U&J UN'W90=//J >:U'&J- X:/JUN&>&K?NVTJ/UK%'=%J<TJQ'0'U=J=V=;=0UJ/';KV:U'&0$ :0%JX:/JW&;S:>=%JX'UNJUN=JW:VWKV:U=%JY:VK=/JQ>&;JUN=JQ&>1 ;KV:/J&QJABCDE17F1G!"!J:0%J3HI18H1!!!!J/U:0%:>%/)JIUJX:/J'0%'W:U=%JUN:UJUN=J<KW9V'0?JS>&S:?:U'&0JS>=//K>=J&QJ/K<1

海底管道动态压溃时激发压力脉冲特性分析

边界分别定义 2 个平面,并通过“ TIE” 的约束方式
设置声固耦合界面,实现结构位移场和流体压力场
的耦合。有限元模型长度不少于 10 倍管径。模型
中设置刚性接触面 I 和 II,用于模拟管道压溃后的
内壁面的接触行为。管道轴向和周向满足初始椭圆
度分布式[1] :
( ) ωo
=-
Δ
D 2
exp
éëêê
-
β
x D
2 ùûúú cos(2θ)
(1)
式中: ωo 为极坐标系下径向位移,mm;Δ 为管道初始椭圆度, Δ = ( Dmax - Dmin) / ( Dmax + Dmin) ; x 为轴向方向坐标;β 为初始椭圆度在 x 轴向延伸的相
关系数;θ 为极坐标下的角度;D 为管道直径,mm;
Dmax 为椭圆长轴长度,mm;Dmin 为椭圆短轴长度, mm。
( 1. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum ( East China) , Qingdao 266580, China; 2. Shandong Key Laboratory of Oil & Gas Storage and Transportation Safety, China University of Petroleum ( East China) , Qingdao 266580, China)
Abstract:In this work, a finite element numerical model for the dynamic collapse propagation of deep-water pipeline is established in order to investigate the distribution characteristics of pressure pulse field in the process of subsea pipeline collapse propagation. The coupling between subsea pipeline and the surrounding fluid is simulated by using acoustic-structure coupling technology. The finite element model is verified by the experimental data. Furthermore, the coupling characteristics of pressure pulse and collapse deformation in the process of subsea pipeline collapse propagation are analyzed by extracting the spatial and temporal distributions of pressure pulse in the surrounding flow field. The distribution of pressure pulse around the subsea pipeline is discussed for the case wherein the flip-flop mode of collapse propagation occurs. Results show that the finite element model can accurately predict the subsea pipeline collapse, along with the collapse propagation pressure and the spatial and temporal distribution characteristics of pressure pulse around pipeline. Pressure pulse that is several or even ten times the collapse pressure will be generated near the wall of the pipeline at the moment of collapse. Finally, when the flip-flop mode of collapse propagation occurs, pressure pulse distribution near the wall of pipeline also changes accordingly. Keywords:subsea pipeline; finite element model; experimental verification; dynamic collapse; pressure pulse; collapse pressure; collapse deformation; acoustic-structure coupling analysis

深水海底管道的抗压溃屈曲性能试验研究

深水海底管道的抗压溃屈曲性能试验研究牛爱军;牛辉;苑清英;黄晓辉【摘要】为了明确深水海底管道的抗深水压溃性能,防止管道发生压溃屈曲及屈曲扩展破坏,采用有限元模拟及实物管件外压测试试验的方法,对开发的X70钢级Φ914 mm×36.5 mm规格深海用厚壁直缝埋弧焊接钢管管件在35 MPa均布外压载荷下的抗深水压溃屈曲性能进行了试验研究.深海高压模拟试验舱外压测试试验表明,管件在不承受内压的条件下,最大外压加载至35 MPa,并保压15 min,管件无失稳、凹陷或压溃现象,管件的变形属于弹性变形.研究结果表明,试验管件的强度能够承受35 MPa的静态外压载荷,具备抵抗相当于3500 m水深的海底管道的压溃屈曲能力.%In order to define the crushing resistance of deepwater submarine pipeline, prevent pipeline crushing buckling and buckling propagation destruction. The test research on resistance to crushing buckling performance of the developed X70 steel grade Φ914 mm ×36.5 mm thick wall SAWL pipe fittings (used for deepwater submarine pipeline)were studied, at 35 MPa uniform external pressure loading, by adopting finite element simulation and real pipe fitting external pressure test. The external pressure test of deep-sea high pressure simulation experiment cabin showed that the maximum external pressure load to 35 MPa without internal pressure, and the pressure holding for 15 minutes, without unstability, concave or crushing phenomenon appeared on fittings and the deformation of fitting belongs to elastic deformation. The experiment results indicated that the strength of the test fittings can withstand 35 MPa static external pressure load, possesses the capacity ofresistance to crushing buckling of submarine pipeline equivalent to 3500 meters water depth.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2017(040)005【总页数】6页(P8-13)【关键词】深水海底管道;压溃;屈曲;有限元分析;外压【作者】牛爱军;牛辉;苑清英;黄晓辉【作者单位】国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡 721008;宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院,陕西宝鸡 721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡 721008;宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院,陕西宝鸡721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡 721008;宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院,陕西宝鸡 721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡 721008;宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院,陕西宝鸡 721008【正文语种】中文【中图分类】TG335.5Abstract:In order to define the crushing resistance of deepwater submarine pipeline,prevent pipeline crushing buckling and buckling propagation destruction.The test research on resistance to crushing buckling performance of the developed X70 steel grade Φ914 mm×36.5 mm thic k wall SAWL pipe fittings（used for deepwater submarine pipeline）were studied,at 35 MPa uniform external pressure loading,by adopting finiteelement simulation and real pipe fitting external pressure test.The external pressure test of deep-sea high pressure simulation experiment cabin showed that the maximum external pressure load to 35 MPa without internal pressure,and the pressure holding for 15 minutes,without unstability,concave or crushing phenomenon appeared on fittings and the deformation of fitting belongs to elastic deformation.The experiment results indicated that the strength of the test fittings can withstand 35 MPa static external pressure load,possesses the capacity of resistance to crushing buckling of submarine pipeline equivalent to 3 500 meters water depth.Key words:deepwater submarine pipeline;crushing;bucking;finite element analysis;external pressure近年来，世界石油勘探重点已由陆地转向海洋、浅海转向深海，深水和超深水的油气资源的勘探开发已经成为世界油气开采的重点领域，深水海底管道也已成为深海油气开发工程的重要组成部分[1-2]。

深水海底管道屈曲试验数据采集技术研究

究
林镇诗，建星，永更，余王马骏ａ，海泳，羿羽，．景赵李妍，贵珍张－
（津大学ａ建筑工程学院；．口与海洋工程教育部／津市重点实验室，津３０７）天．ｂ港天天００２
２１年第４０１０卷第１期第６２２页
石油矿场机械
０ｌＬＦＩＥＬＤＥＱＵＩＭＥＮＴＰ
２１，０１）６～６０１４（２：２６
ｏ
ｏ
文章编号：０１３８（０１１－０２０１０－４２２１）２０６～５
ｅｖｒｍｅ．ｎｌｙ，ｔｐｅｅｓａｘｍｐｌｏｅｐｌｉｈｅｆａｉｌｔｆｔｓｍｅｈｏｎｄｅｐｔｒｎｉｏｎｎｔＦｉａｌｉｒｓｎｔｎｅａｅｔｘａｎｔｅｓｂｉｉｙｏｈｉｔｄｉｅｗａｅｓｍａｉｅｐｉｌｎｃｉｘｒｍｅａａａｑｓｔｏｎｕｂｒｎｐｅｉｅｂｕｋｌｎｇｅｐｅｉｎｔｄｔｃｕｉｉｉ．Ｋｅｒｓ：ｅｐｗａｅｐｉｅ１ｎｅ；ｔａｎ；ｅｔｎｙｗｏｄｄｅｔｒ；ｐｉｓｒｉｔｓｉｇ
ＬＮｅ —ｈ ’ ＹＵｉｎｘｎ。ＷＡＮＧｎ — ｅｇ～，ＡｕＩＺｈｎｓｉ。，Ｊａ — ｉｇ ’， ‘ ＹｏｇｇｎＭＪｎ。， ‘
ＪＮＧａ— ｏｇ。，ＨＡＯ — ｕ。，ｈ～，ＨＡＮＧｉｚｅＩＨｉｙｎ。Ｚ。Ｙｉ ‘ ＬＩＹａＺｙ。Ｇｕ— ｈｎ

基于深水海底管道压溃破坏的结构可靠性研究

基于深水海底管道压溃破坏的结构可靠性研究发表时间：2020-10-20T06:13:03.825Z 来源：《防护工程》2020年17期作者：宋德俊[导读] 本文采用数值模拟及全比例压力试验相结合的方法，运用JC法对深海管道的安全性和可靠性进行了全面分析。

中石化石油工程设计有限公司山东东营 257026摘要：深水管道所处的特殊海洋环境容易导致管道发生压溃屈曲破坏。

本文对深水海底管道压溃问题进行了结构屈曲压溃试验分析。

采用JC法计算深水海底管道结构的可靠度指标，研究其径厚比、初始凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等因素对管道压溃的影响。

关键词：深水海底管道；压溃破坏；可靠性极端深海环境下管道的稳定性失效是管道破坏的主要模式，管道一旦发生局部压溃，就会引起屈曲传播，致使管道的整体失效，后果非常严重。

因此，防止管道压溃破坏是确保深海结构安全需要解决的关键问题。

基于此，本文采用数值模拟及全比例压力试验相结合的方法，运用JC法对深海管道的安全性和可靠性进行了全面分析。

一、海底管道要求海底管道是通过密闭的管道在海底连续地输送大量油油（气）的管道，是海上油（气）田开发生产系统的主要组成部分，也是最快捷、最安全和经济可靠的海上油气运输方式。

海底管道的优点是可连续输送，几乎不受环境条件的影响，不会因海上储油设施容量限制或穿梭油轮的接运不及时而迫使油田减产或停产。

故输油效率高，运油能力大。

另外海底管道铺设工期短，投产快，管理方便和操作费用低。

其缺点是：管道处于海底，多数又需要埋设于海底土中一定深度，检查和维修困难，某些处于潮差或波浪破碎带的管段，受风浪、潮流、冰凌等影响较大，有时可能被海中漂浮物和船舶撞击或抛锚遭受破坏。

海底管道设计所遵循的标准是《海底管道系统规范》（SY/T 10037）。

为了设计出安全可靠的海底管道，需取得以下的资料和数据：1、输送流体：包括油气类别、流量、组分、密度、黏度、露点、温度、压力、比热容及导热性。

大口径薄壁海底管道局部屈曲设计技术研究

γＭＰ，即：
γＭＰ
＝Ｍ′Ｐ。ＭＰ
其中，Ｍ′Ｐ为实际弯矩抗力，Ｎ。
则内部超压海底管道局部屈曲校核公式变为：
{ { } } γｍ·γＳＣ·αｃ·γＭＰ·｜ＭＭｓＰｄ（｜ｔ２）·αｍｄ＋
γｍ·γＳＣ·Ｓｓｄ（ｐｉ）２
２
＋
αｃ·Ｓｐ（ｔ２）
ｌｏｇ（Ｅεｕ－１）－ｌｏｇ（Ｅεｏ－１）
Ｎ＝ σｕ
σｏ
，
１３２１，１４２２管道在不同壁厚条件下的局部屈曲失效承载力。
关键词：海底管道，弯矩，局部屈曲
中图分类号：ＴＵ３１１
文献标识码：Ａ
１概述
近年，随着海洋油气储运业的发展，海底管道的建设活动越来越多，建成了一些大口径的海底管道［１］。大口径海底管道的焊接、施工方法等方面都有较大的进步和发展［２，３］。但是在管道的强度设计分析方面，在现行的海底管道设计标准中［４］，对径厚比大于４５的海底管道都没有规定明确的设计方法。对大口径海底管道而言，若要在设计过程中控制管道的径厚比满足现有标准的适用条件，需要选择较大的钢管壁厚，这将会增加钢材用量和海上焊接时间，增加工程投资。本研究通过对大口径薄壁海底管道在弯矩作用下的局部屈曲分析，引入了弯曲抗力系数，建立了弯矩抗力系数与管道径厚比的关系。
收稿日期：２０１８１２０３ ★：中石化石油工程技术服务有限公司科研项目，中深水海底管道结构设计关键技术研究（项目编号：ＳＧ１７－６５Ｘ）作者简介：张先锋（１９８１），男，高级工程师
·３６·
第４５卷第２０１９年

基于落物损伤的全尺寸海底管道压溃实验及数值模拟

基于落物损伤的全尺寸海底管道压溃实验及数值模拟杨政龙;余建星;段晶辉;陈海成;余杨;孔凡冬【摘要】针对落物撞击导致的海底管道塑性凹陷损伤,采用天津大学深水压力舱进行外静水压力作用下的全尺寸管道压溃实验.采用ABAQUS有限元软件模拟实际管道压溃实验过程,与实验结果进行了对比验证,结果表明管件压溃压力模拟值与实验值较好吻合,管件变形模态基本一致.利用验证的有限元模型方法,研究了不同凹陷几何参数、凹陷与椭圆度组合缺陷对管道压溃临界载荷的影响.研究表明:随着凹陷几何尺寸和椭圆度的增大,管件压溃压力随之减小,且各缺陷对管件压溃压力的影响程度逐渐变小.椭圆度对小凹陷深度管件压溃压力的影响较大,对大凹陷深度管件压溃压力的影响较小.研究结果对损伤管道剩余强度和安全评估具有一定的参考价值.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2018(051)012【总页数】6页(P1260-1265)【关键词】海底管道;凹陷;落物;压溃【作者】杨政龙;余建星;段晶辉;陈海成;余杨;孔凡冬【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】P752随着我国工业化和城市化进程加快，海上油气管道成为不可替代的重要生产和输送工具[1]．面对复杂恶劣的海洋环境载荷和随机多样的第三方破坏，管道在安装和服役阶段面临着巨大的安全隐患．其中落物撞击是较常见的第三方机械损伤类型，一旦发生落物碰撞损伤，管件可能由于过高的外界水压力发生屈曲失稳，造成管道局部压溃甚至整体结构失效的严重后果[2-3]．因此，准确评估碰撞损伤后的管道剩余承压能力，对保障管线安全运营具有重要意义[4]．关于缺陷管道屈曲压溃问题，国内外学者开展了大量研究．Estefen[5]通过缩尺比实验研究了无损管道在外压联合弯曲作用及初始椭圆度缺陷管道在外压作用下的力学行为．He等[6]对不同初始椭圆度、径厚比和材料屈服强度管件的压溃压力进行数值模拟研究．Xue[7]对外压作用下的受腐蚀非均匀壁厚管道压溃及屈曲传播进行了数值模拟研究．Netto等[8]利用缩尺比实验结合有限元模拟方法研究了不同腐蚀几何参数对管道屈曲压溃行为的影响．Benjamin等[9-10]针对不同分布形式和尺寸的片腐蚀缺陷管件的失效压力进行了理论和实验研究．Fan等[11]利用缩尺比实验和有限元模拟方法研究了初始椭圆度和片状腐蚀组合缺陷对管道屈曲压溃的影响．天津大学余建星等[12]通过全尺寸压溃实验和数值模拟研究了径厚比、初始腐蚀凹坑和椭圆度等缺陷对管道压溃的影响．目前，国内外对于海底管道初始缺陷的研究主要集中在初始椭圆度或由腐蚀等造成的壁厚不均匀性缺陷，鲜有基于实际落物碰撞造成的凹陷缺陷管道压溃研究．国内外管道压溃实验研究通常在高压舱体装置内进行，主要以容纳缩尺比管件的小尺度压力舱为主，代表舱体有奥斯汀大学[13]、阿根廷工业研究中心[14]、澳大利亚昆士兰大学[15]以及浙江大学[16]等设计制造的高压舱．然而，缩尺比实验存在一定的尺度效应，实验结果可能会与实际管件压溃行为有所差异，因此对高压舱体主尺度提出了更高的要求．例如：加拿大C-FER公司[17]及我国天津大学自主研制的大尺度、高承压全尺寸压力舱．由于更加严格的高压密封和实验操作稳定性要求，国内外全尺寸高压舱的研制和相关压溃实验研究报道相对较少．鉴于上述分析，本文选取实际落物撞击后不同凹陷程度管件，设计开展外静水压力作用下的全尺寸管道压溃实验；从管件局部压溃临界压力角度，采用ABAQUS有限元软件对实验进行模拟对比验证．分析了凹陷几何参数、凹陷与椭圆度组合缺陷对管件压溃压力的影响规律．压溃实验采用天津大学自主研制的全尺寸深海压力舱，该装置内径1.25,m，主体长度10,m，可容纳1∶1等比例最大8,m长度的全尺寸管件，承压能力80,MPa，能够为舱体内部提供稳定的高静水压力，以及对管道等试件施加轴向力、侧向力和温度载荷．整个压力舱由压力舱体机构、实验保障机构和实验测量系统3部分共同组成，各部分紧密配合，保障深海压力舱实现稳定高压的实验环境，主压力舱体如图1和图2所示．压力舱静水压溃实验管件选自全尺寸落物撞击实验后凹陷损伤管件，实验采取落锤定位的方式，模拟法兰从指定高度垂直自由落体正中撞击管道的碰撞过程，撞击损伤位于管道中段位置，具体落物撞击形式及凹陷损伤情况如图3所示．本次实验管件的标称直径D＝325,mm，壁厚t＝10,mm，管道总长L＝6,m．针对凹陷缺陷几何特征，图4给出了管件和凹陷几何参数，其中l、d和c分别为凹陷的轴向长度、径向深度和周向宽度．压溃实验主要探究凹陷缺陷对管件压溃临界载荷的影响，设计选取了3种不同凹陷程度落物损伤管件，外加1根无损伤管件作为对照管件，共4组全尺寸管道静水压溃实验．实验前采用三维机械臂和测厚仪对实验管件进行外轮廓和壁厚扫描，计算其椭圆度和壁厚偏心，表达式[10]为压溃实验主要流程为管件前期处理、管件安装、压力舱密封、压力舱注水、加压实验、卸压排水、管件出舱和管件后处理等．各组实验管件的几何参数见表1．为采集准确全面的管道形状，实验采用三维机械臂对落物实验后凹陷管件进行外轮廓扫描，并将扫描数据输入到ABAQUS软件，建立管道凹陷截面，如图5所示．有限元模型与管道实际几何参数相一致，椭圆度选取测量最大值，管道两端设置固端约束来限制管道受到静水压力载荷后发生的整体位移，将静水压力载荷施加到管道模型的外表面，来模拟实验过程中受到的外静水压力．采用C3D8I单元并在局部凹陷位置将网格加密来增加求解精度，模型如图6所示．实验管道材质为X65，采用Ramberg-Osgood模型描述管道应力σ与应变ε的关系，其表达式为式中硬化参数n与名义屈服应力为拟合参数．图7为材料单向拉伸实验及R-O模型拟合曲线，拟合得到的材料参数如表2所示．针对不同凹陷深度管道开展外静水压力加载实验，将压溃实验结果与数值模拟结果进行对比分析．2.3.1 静水压力时程曲线通过压力传感器采集的数据可得到舱内静水压力时程曲线，如图8所示．实验开始后，控制加压系统运行加载水压，舱内静水压力逐渐升高，当升至该管件压溃临界压力值时，舱内传出响亮的管件压溃声响，实验管件发生屈曲体积变形，舱内水压也随之骤降．2.3.2 管件压溃压力表3(＝14.132,MPa)和图9为实验管件压溃临界压力与数值模拟压溃压力值的对比情况．和分别为无损管件实验和数值模拟压溃压力值；和分别为缺陷管件实验和数值模拟压溃压力值．由表3可知，无缺陷管件的压溃临界压力最大，随着凹陷程度增大，管件压溃临界压力随之减小，管件抗屈曲能力降低；ABAQUS有限元方法模拟结果能够很好与实验结果吻合，最大相对误差仅为4.36%,，产生误差的主要原因为模型未考虑受损管件的剩余应力、实际椭圆度和壁厚偏心的影响．2.3.3 管件压溃变形压溃实验结束后，将管件吊出舱体，拆解应变片及引出线，发现在外静水压力作用下各组管件被严重压扁，变形模态相似，管件中段凹陷缺陷处变形最扁，横截面呈哑铃状，且沿轴向两端变形逐渐变小．图10为压溃实验前后及数值模拟得到的管件变形对比情况，数值模拟的管件变形模态与实验结果基本一致．海底管道压溃临界压力与其结构和缺陷参数密切相关，本节采用验证后的有限元方法，针对管件凹陷几何参数、椭圆度与凹陷组合缺陷进行敏感性分析，其中计算结果采用无量纲压溃压力-影响参数曲线表示．图11为凹陷长度不变、凹陷深度d/t分别为1、3、5时，管件压溃压力随不同凹陷宽度的变化情况．可以看出，凹陷深度和长度相同的管件，压溃压力随凹陷宽度的增大而减小，当凹陷宽度为管件直径D时，压溃压力达到最小值；同一凹陷宽度下，压溃压力随凹陷深度的增大而减小．图12为凹陷宽度不变、凹陷深度d/t分别为1、3、5时，管件压溃压力随不同凹陷长度的变化情况．由图12可以看出，随着凹陷长度的增大，管道压溃压力逐渐变小．但随着凹陷长度的增加，缺陷对管道压溃压力的影响逐渐变小，达到一定程度后，管道抗屈曲的能力基本不再降低．图13为凹陷宽度和长度不变、凹陷深度与椭圆度组合缺陷对管件压溃压力的影响情况．可以看到，一定凹陷尺寸管件压溃压力随椭圆度的增大而减小，但对管道压溃压力的影响随着椭圆度的增加而逐渐变小，达到一定程度后，管道抗屈曲的能力基本不再降低．由曲线斜率可知，小凹陷深度(d/t＝1)下，椭圆度对管道压溃压力的影响较大；而大凹陷深度(d/t＝3，5)下椭圆度的影响相对较小．本文选取落物撞击实验后不同凹陷程度管件，设计开展外静水压力作用下的全尺寸管道压溃实验，从管件局部压溃临界压力角度对实验结果进行了数值模拟对比验证；分析了凹陷几何参数、凹陷与椭圆度组合缺陷对管件压溃压力的影响规律．模型方法可准确评估碰撞损伤后的管道剩余承压能力，对损伤管道剩余强度和安全运营评估具有一定的参考价值．(1) 通过ABAQUS有限元方法模拟管件压溃压力值与实验值吻合较好，最大相对误差仅为4.36%,；数值模拟管件变形模态与实验结果基本一致．(2) 随着凹陷周向宽度、轴向长度和径向深度的增大，管件压溃压力随之减小，且凹陷对管道压溃压力的影响程度逐渐变小．(3) 一定凹陷尺寸管件的压溃压力随椭圆度的增大而减小，椭圆度对小凹陷深度(d/t＝1)管件压溃压力的影响较大，而对大凹陷深度(d/t＝3，5)管件压溃压力的影响较小．【相关文献】［1］杨秀娟，闫涛，修宗祥，等. 海底管道受坠物撞击时的弹塑性有限元分析[J]. 工程力学，2011，28(6)：189-194.Yang Xiujuan，Yan Tao，Xiu Zongxiang，et al. Elastic-plastic finite element analysis of submarine pipeline impacted by dropped objects[J]. Engineering Mechanics，2011，28(6)：189-194(in Chinese).［2］ Palmer A，Touhey M，Si H，et al. Full-scale impact tests on pipelines[J]. International Journal of Impact Engineering，2006，32(8)：1267-1283.［3］ Alexander C. Assessing the effects of impact forces on subsea flowlines and pipelines[C]//ASME 2007，International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. San Diego，CA，USA，2007：417-427.［4］海洋石油工程股份有限公司. 深水水下应急维修调研报告[R]. 天津：国家重大专项 27-005-001-003-RPT-GE-001，2015.Offshore Oil Co Ltd. The Survey Report for the Deep-Water Emergency Maintenance[R]. Tianjin：National Science and Technology Major Project 27-005-001-003-RPT-GE-001，2015(in Chinese).［5］ Estefen S F. Collapse behavior of intact and damaged deepwater pipelines andthe influence of the reeling method of installation[J]. Journal of Constructional Steel Research，1999，50(2)：99-114.［6］ He T，Duan M，An C. Prediction of the collapse pressure for thick-walled pipes under external pressure[J].Applied Ocean Research，2014，47(9)：199-203.［7］ Xue Jianghong. A non-linear finite-element analysis of buckle propagation in subsea corroded pipelines[J]. Finite Elements in Analysis and Design，2006，42(14/15)：1211-1219.［8］ Netto T A，Ferraz U S，Botto A. On the effect of corrosion defects on the collapse pressure of pipelines[J]. International Journal of Solids & Structures，2007，44(22)：7597-7614.［9］ Benjamin A C，Freire J L F，Vieira R D，et al. Interaction of corrosion defects in pipelines-Part 1：Fundamentals[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping，2016，144：56-62.［10］ Benjamin A C，Freire J L F，Vieira R D，et al. Interaction of corrosion defects in pipelines-Part 2：MTI JIP database of corroded pipe tests[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping，2016，145：41-59.［11］ Fan Z，Yu J，Sun Z，et al. Effect of axial length parameters of ovality on the collapse pressure of offshore pipelines[J]. Thin-Walled Structures，2017，116：19-25. ［12］余建星，卞雪航，余杨，等. 深水海底管道全尺寸压溃实验及数值模拟[J]. 天津大学学报，2012，45(2)：154-159.Yu Jianxing，Bian Xuehang，Yu Yang，et al. Full-scale collapse test and numerical simulation of deepwater pipeline[J]. Journal of Tianjin University，2012，45(2)：154-159(in Chinese).［13］ Lee L H，Kyriakides S. On the arresting efficiency of slip-on buckle arrestors for offshore pipelines[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2004，46(7)：1035-1055.［14］ Toscano R G，Mantovano L O，Amenta P M，et al. Collapse arrestors fordeepwater pipelines. Cross-over mechanisms[J]. Computers & Structures，2008，86(7/8)：728-743.［15］ Khalilpasha H，Albermani F. Hyperbaric chamber test of subsea pipelines[J]. Thin-Walled Structures，2013，71(13)：1-6.［16］ Gong S，Sun B，Bao S，et al. Buckle propagation of offshore pipelines under external pressure[J]. Marine Structures，2012，29(1)：115-130.［17］ Toscano R G，Timms C M，Dvorkin E N，et al. Determination of the collapse and propagation pressure of ultra-deepwater pipelines[C]//ASME 2003，Interna-tional Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Cancun，Mexico，2003：721-729.。

海底管道清管试压浅析

海底管道清管试压浅析1.引言清管试压工作是在海底管线连接完成后，对整条海底管线的一个综合性的检验与测试。

清管的目的在于清除海管内的小型杂物以及清洗管内壁、测量管线是否有屈曲。

试压的目的在于试验整条管线的抗压能力，检查管线焊道是否合格以及测试水下连接点是否泄露。

清管试压通常参照的标准有ASME B31.4或者ASME B31.8、API RP1110以及DNV 2000等等。

2.管线清管2.1概述在清管试压工作开展之前，必须有一份完整的、经业主和第三方审批的清管试压程序可执行。

并且，有一份周全的应急方案以供参考。

清管准备工作可以分为清管设备、清管介质和清管球三方面来准备。

清管设备的选择必须根据现场的实际情况加以选择。

以PL19-3海管项目（06年）为例，由于管径小，管线较短，所以选择了一台50m3/h清管泵。

清管介质通常是淡水或者是加了防腐剂和缓蚀剂的海水。

清管球的数量一般根据管线的长短进行选择。

以PL19-3 16”海管为例，考虑到管线存放时间少，比较新，只采用了三个球清管：两个清管球和一个测量球。

2.2清管准备各种清管设备、仪表证书必须经现场业主和第三方代表确认并许可后方可进行。

打球方将一事先加工好的清管发射器焊接在立管管口处（对于法兰连接形式的，可以用事先加工的法兰和发射器焊接在一起，然后用螺栓把整体发射器和立管法兰固定在一起）。

接球方须将一清管接收器（或临时接球网）安装在立管管口，并预留足够的空间收球。

清管人员连接清管设备和管线后就可以进行清管了。

(清管流程如图2.1)2.3注水清管对于用三个球清管的，放球的顺序一般为清管球、清管球、测量球。

整个清管过程如下：1）启动清管泵，排空管线中的空气。

2）放入一清管球，控制注水泵的流量使得球在管中的速度控制在0.5m/s-2m/s之间。

3）接着向管中注入150m线性长度的水量，停泵，放入第二个清管球。

4）以同样的程序放入测量球，在确认球均已顺利打进的情况下，开泵进行正常的清管工作。

深水海底管道湿式屈曲分析

深水海底管道湿式屈曲分析作者：李凯刘顺庆邱炜来源：《中国石油和化工标准与质量》2013年第17期[摘要]本文主要论述了深水海底管道铺设过程中出现湿式屈曲时海管所产生的变化及船舶自身所采取的应对措施，并对湿式屈曲时海管的应变情况做了简要的计算分析。

[关键词]深水海底管道湿式屈曲随着我们生活水平的不断提高，人们对于自身外在的形象追求等级也越来越高。

但就目前我国的形象设计专业人士数量却远远不能满足当前市场的火热需求，人才短缺所造成的危机也严重制约着这个产业的辉煌前景。

1前言随着海洋石油开发向深水领域进军，为海底管道的施工带来了许多新的挑战。

深水海底管道在铺设过程中由于受到强大的外部静水压力、弯矩和轴向力的作用，如果没有科学且严格的控制，容易产生局部的屈曲变形，情况严重时会产生管道破损，导致管道充水，所造成的后果常常是无法接受的，因此需要我们对海底管道湿式屈曲的情况加以研究和分析，对产生湿式屈曲情况后船舶自身的反应加以了解，从而制定出相应的预案及措施，以保证海上施工的安全性以及一旦出现湿式屈曲情况后所能及时采取的应对措施。

2概述海底管道作为连接产油平台与陆地炼厂之间的媒介是海洋工程事业中尤为重要的一部分。

随着当今海洋事业进军深海，海底管道在铺设过程中所存在的安全风险也是当今深水海洋技术研究中最为重要的一部分。

其中以湿式屈曲尤为引人关注，所谓湿式屈曲，是指管体在铺设过程中产生了超出管材本身所允许之外的变形，且变形处已发生破损，使得海水注入管内，当管体突然进水时，将造成海管悬空段的水中重量急剧增大，不但威胁铺管船以及船上施工人员的安全，还可能影响到周围已存在水下生产设施的安全。

在铺设过程中海管产生屈曲的原因有很多种，比如恶劣天气、设备失效、管材疲劳等等。

因此，在项目施工前对海管铺设过程中可能产生的湿式屈曲的风险进行分析并准备相应的应急措施是很有必要的。

这样就可以在湿式屈曲发生时采取正确的措施加以应对，不但降低了湿式屈曲发生时所引发的风险，同时也提高了项目风险控制的水平。