悬空管道受力分析

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水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析

第33卷第4期2016年12月河北工程大学学报（自然科学版）Journal of Hebei University of Engineering (Natural Science Edition)Vol.33 No. 4Dec. 2016文章编号：1673 -9469(2016)04-0056-05d oi：10. 3969/j. issn. 1673 -9469.2016. 04. 013水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析卢召红1，高珊珊1，于慧敏2，计静1，闫亮1，刘迎春1(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318;2.中国石油大庆石化公司，黑龙江大庆163714)摘要:针对水中悬浮管道，提出其建造方式，并给出计算模型和计算方法。

利用Morison公式计算作用在管体上的波浪荷载，计算分析管道在波浪力和水流力作用下的内力。

借助ANSYS软件建立水中悬浮管道的有限元计算模型，运用Airy线性波浪理论计算水质点的速度和加速度，在此方法上计算管体的荷载和内力，与公式计算结果进行对比分析。

结果表明，两者计算结果基本吻合，其误差在2%范围之内。

关键词：水中悬浮管道；内力；波浪力；Morison公式中图分类号:TE973 文献标识码:AAnalysis of structure and mechanical characteristicof submerged floating pipelineLU Zhaohong1，GA0 Shanshan1，YU Huimin2，JI Jing1，YAN Liang1，LIU Yingchun1(1. School of Civil Engineering and Architecture，Daqing Petroleum Institute, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. China Petroleum Daqing Petrochemical Co, Heilongjiang Daqing 163714, China)Abstract：The construction method of submerged floating pipeline was proposed and its the calculation model and calculation method were given. The wave loads on the tube were calculated by the Morison formula, and the internal force of the pipeline under the action of wave force and flow force was calculated and analyzed. With the aid of ANSYS software, the finite element calculation model of the submerged floating pipeline was established. The speed and acceleration of water quality point were calculated by using Airy linear wave theory, the load and internal force on the pipeline were calculated.Comparative results show that the calculation results are basically consistent, and the deviations are within the controllable range, which can provide reference for the subsequent research and application.Key words ：Submerged floating pipeline;internal force; wave force; Morison formula油气输送管道在遇到江海湖泊时，其穿越方式多采用水底管道或水上架空等方式。

管道受力分析(无背景)

管道受力分析管道受力分析目录：一、管道发展历史1、发展2、著名管道系统二、提出问题三、管道受力研究1、管道2、弯头3、三通四、小组分工五、总结六、参考文献管道受力分析关键字：管道受力一、管道发展历史管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。

管道的用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

管道作为物料输送的一种特殊设备在现代化工业生产和人民生活中起着很重要的作用，它就像人体中的血管一样，没有它，人的生命就不复存在。

1、“油气集输和储运”技术随着油气的开发应运而生。

早在我国汉代，蜀中人民就采用当地盛产的竹子为原料，去节打通，外用麻布缠绕涂以桐油，连接成“笕”，就是我们现在铺设的输气管线。

最早的一条原油输送管道，是美国于1865年10月在宾夕法尼亚州修建的一条管径50毫米长9756米从油田输送原油到火车站的管道，从此开始了管道输油工业。

但油气管道运输是从1928年电弧焊技术问世，以及无缝钢管的应用而得到发展和初具规模的。

管道输送技术的第一次飞跃是在第二次世界大战期间。

第二次世界大战以后，管道运输有了较大的发展。

2、目前世界上比较著名的大型输油管道系统有：（1）前苏联的“友谊”输油管道。

它是世界上距离最长、管径最大的原油管道，其北、南线长度分别为4412千米和5500千米，管径为426~1220毫米，年输原油量超过1亿吨，管道工作压力4.9~6.28兆帕。

（2）美国阿拉斯加原油管道。

其全长1287千米，管径1220毫米，工作压力8.23兆帕，设计输油能力1 亿吨／年。

（3）沙特阿拉伯的东-西原油管道。

其管径1220毫米，全长1202千米，工作压力5.88兆帕，输油能力1.37亿立方米／年。

（4）美国科洛尼尔成品油管道系统。

该管道系统干线管径为750~1020毫米，总长4613千米，干线与支线总长8413千米，有10个供油点和281个出油点，主要输送汽油、柴油、燃料油等100多个品级和牌号的油品。

地质灾害下悬空管道的应力分析及计算

３西北工业大学，．陕西西安７０７）１０２摘妻：在地质灾害作用下，管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空，而可能引发管道失效。从本文基于Ｗｉｌ线性理论，ｎｅｋｒ建立了地质灾害作用下管道与土相互作用的力学模型，并利用有限元计算了悬空管道上的应力分布。关键词：管道；地质灾害；应力分析；计算
Hale Waihona Puke 管道的失效却不多。为此，本文初步研究了在地质
灾害作用下悬空管道的力学模型，并用有限元进行了计算。２悬空管段的受力模型当埋设管道的地层发生塌陷、季节性水流冲涮
自建成投产后，几乎年年发生崩塌、坍塌等灾害，每
年需耗费几十万甚至上百万元的维修资金，直接影响了管道安全运营ｌ。
ＡｂｔａｔＵｄｒｔｅｅｅｔｆｇｏｅｈｉａａａｄ，ｔｅｓｉｕｄｒｐｐｌｅｉｆｌｄｗｒｓｅｔａｙＴｅｅｓｒｃ：ｎｅｆｃｓｏｅｔｃｎｃｈｚｒｓｈｏｌｎｅｉｅｉｌｏｎｏｗｐｗａ．ｈｒ－ｈｌｎｓｅｆｒｅｐｐｌｅｉｓｓｎｅｄｐｏａｌｄｔｉｒ．ＩｅｐｐｒｃａｉａｄｌａｅｎＷｉｋｅｏｅｔｉｉｕｐｄｄａｒｂｂｙｌｆｌｅｎｔａ，ａｍｅｈｎｃｌｈｅｎｓｅｎｅｏａｕｈｅｍｏｅｓｄｏｎｌｒｂｈｏｙｗｓｉｔｕｅｄｓｒｅｔｎｅａｔｅｗｅｉｉｌｉｉＥｅｅｔｈｄｔｅｒａｎｒｄｃｄｔｅｃｂｅｉｔｒｃｉｎｂｔｅｎｔｅｐｐｌｅａｄｔｅｓｉａｄＦｎｔｌｍｎｔｏｏｏｉｈｏｈｅｎｎｈｏｎｅＭｅ

海底悬空管道的动力学模态分析

海底悬空管道的动力学分析王朝晖张宏（北京石油大学机电工程学院 102200）1 引言海上开发出来的油气大多是通过海底管道的形式进行输送的。

近海海底管道浅埋在海床的泥沙里，由于受海流的冲刷作用，有可能裸露出来，形成悬空管段。

悬空管段在各种海洋动力因素的影响下会出现随机振动，长期的振动影响会缩短管线的使用寿命，影响正常的油田生产。

目前，对于海底水平悬空管道的动力学研究还有很多不足；主要体现在有限元计算模型的建立上，即如何正确地模拟悬空管道结构及其边界条件。

本文尝试建立海底水平悬空管道的三维有限元计算模型，用Kelvin和Maxwell粘弹性模型近似模拟海底土壤对于管道的边界效应，并用该模型做了动力学模态分析和响应计算，且进一步提出了悬空海底管道的寿命预测模型，为今后对海底悬空管道的强度分析和寿命预测提供了新的参考方法。

2 海底管道有限元模型的建立2.1 问题的描述从我们得到的埕岛油田悬空管道的实际情况如下：管道为内外双层钢结构，内层为输油管，外层为保护管，两层钢管材质均为16Mn钢，在两层钢管的夹层中为“黄甲克”保温层。

从现场勘测来看，有两种悬空情况：1. 管道上岸水平悬空，管道登陆一端固定于岸基，另一端掩埋于近岸海底淤泥中。

2. 管道上平台水平悬空，管道一端固定于平台上，另一端掩埋于平台附近海底淤泥中。

3. 悬空管道的两端均掩埋于近岸海底淤泥中。

图1 管道上岸与上平台的悬空情况图2 悬空管道的两端均掩埋于近岸海底淤泥中4. 具体材料属性数据如下：1）内管：杨氏弹性模量：211/101.2m N ×泊松比：3.0管材密度（钢材密度加原油折算密度）：124083/4.m kg 温层：杨氏弹性模量：29/10181.3m N ×泊松比：035.保温层密度：603/m kg 外管：杨氏弹性模量： 211/101.2m N ×泊松比：3.0管材密度（钢材密度）：7850 3/m kg 2.2 水平悬空管道分析中的几个假设1.水平悬空管道始终是线弹性的。

海底悬空管道的动力响应分析

指导现役管道的维修提供了较为科学、可靠的依据。
关键词：海底管道；悬空；动力响应；涡激振动中图分类号：ＴＥ９７３文献标识码：Ａ
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＤｙｎａｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅｉｎＳｕｂｍａｒｉｎｅＳｃｏｕｒLeabharlann ｉｎｇＰｉｐｅｌｉｎｅ
道建立了有限元模型和土壤的温克尔模型，并将两者耦合成整体结构的有限元模型，来模拟管跨振动和土壤的
液化，寻找海底悬空管道振动的特点和规律，分析特定条件下管道悬空的动力学响应，对合理设计海底管道和
作者简介：李国珍（１９７６一），女，讲师。
第３期
李国珍海底悬空管道的动力响应分析
第３Ｏ卷第３期２０１５年Ｏ６月文章编号：１００１ — ４５００（２０１５）０３ — ００４９ — ０５
中国海洋平台
ＣＨＩＮＡ０ＦＦＳＨＯＲＥＰＬＡＴＦＯＲＭ
Ｖｏ１．３ＯＮｏ．３
ＬＩＧＵＯ — ｚｈｅｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

腐蚀条件下悬空海底管道的受力分析

图 2 管道悬跨段示意图
图 3 为某海底管道，水的来流方向与管道垂直。水流在流近管线之前，流线可视为一组平行的直线。当水靠近管道时，由于管道的阻碍作用，流线逐层发生弯曲分叉，流过顶点后流线又弯曲合拢，在流过管道后一定距离处恢复为一组平行线。
fL+fq
B
A
C
fh
图 3 水流对管线的作用示意图
水流在驻点 A 处与管道“碰撞”且速度变为 0，随后改变流向，紧挨着管道表面流动并留下一层薄薄的附面层。沿着管道外壁的 A B 段附面层内流速不断增大，在 B 点达到最大流速，压力不断降低，使得 B 点的压力低于管道底部的压力，从而形成压差产生上抬力。因此，管道同时受到阿基米德浮力 fq 和水流产生的上抬力 fL。
中图分类号：TE88
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2019）11-0036-04
0 引言
由于海底管道工作环境恶劣，运行过程中常常受到浪流、潮汐、腐蚀、抛锚冲击等因素影响，容易导致海底管道发生失效事故。美国 MMS（Minerals Management Service）曾对墨西哥湾海底管道失效事故进行过调查统计，在 1967~1987 这 20 年的时间里共发生 690 起海管失效事故，可见海管发生失效的频率较高，因此为了有效控制失效事故的发生并及时采取应对措施，剩余强度计算与风险评估显得尤为重要[1-3]。目前常用的海底管道风险评估的方法是针对管道的剩余强度，运用 ANSYS 等软件，对管道进行弹性和非线性的有限分析，从而对海底管道的安全风险进行评估。本文是从管道悬跨的角度，通过载荷和受力分析，得到海底管道悬空对海底管道剩余强度的影响，为海底管道安全风险评估提供理论依据。

埋地悬空管道的应力分析及计算

ＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＢｕｒｉｅｄＳｕｓｐｅｎｄｅｄＰｉｐｅｌｉｎｅ
ＲＡＮＬｏｎｇｆ￣ｉ，ＧＡＯＷｅｎｈａｏ．ＷＵＤｏｎｇ
ｒＬｉａｏｎｉｎｇＳｈｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔ３＂，Ｆｕｓｈｕｎ１１３００１，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｒｅｔｈｒｅａｔｅｎｅｄｆｒｏｍｖａｒｉｏｕｓｐｏｔｅｎｔｉａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｍａｙｌｅａｄｔｏｅａｒｔｈｃｏｌｌａｐｓｅａｎｄ
０前言
南于长输油气管道服役环境复杂，管道敷设
等载荷共同作用下，管道ｆ｝Ｉ现下垂，较人的卜
垂高度导致管道变形，甚至拉断管道，造成严重
的事故『１＿。因此，研究埋地悬空管道的应力分布，
伤亡．、本研究基于Ｗｉｎｋｌｅｒ线性理论，建立管一土相互作用力学模型，应用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析
软件得到悬空管道上的应力分布，分析得出管道达到屈服阶段时管道的悬空长度。计算结果表

悬空管道受力分析

区悬空管道进行模拟计算;将悬空管道的力学分析计算结果与实测值和 Winkler 地基模型计算结果进行对比，分析轴向载荷和地基刚度对计算结果的影响。结果表明:弹塑性地基模型比 Winkler 地基模型具有更高的计算精度，更符合工程应用;轴向载荷对悬空管道受力和变形影响显著，在悬空管道设计校核中不能忽略;地基刚度对弹塑性地基模型计算结果影响不显著。
可得
由 W'2(XJ = W'3(XJ 可得
C3 sinh (2αxJ + C4cosh (2αxJ + C 6 [ λlexp( CS =C7 =0.
WANG Tong-tao , YAN Xiang-zhen , YANG Xiu-juan
( College
0/ Storage
& Trαnsportation and Architectural Engineering in China Uni1时rsity
0/ Petroleum ,
Qingdao 266555 , China)
1l10del;
axialloads; foundation rigid-
中国地域辽阔，在建和己建成的许多油气管道跨越距离长，沿途环境复杂、多变，其中很长一段管
拟或 Winkler 弹性地基模型基础上，没有考虑到土
体的塑性变形或轴向载荷影响，不能体现湿陷性黄土地段管道实际受力和变形情况。因此，笔者根据
C 3 cosh(2α xc)
C s 为积分常数 ;EI 为管道截面刚度，
m40 不妨假设 η< 1 ，当 η= 1 或 η> 1 时，可以类
比求得。式 (7) - (9) 中的 8 个待定系数以及吨， N。和 ωl 由管道的边界条件和光滑连续性条件确

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析
余志兵，孙国民，戚晓明，高嵩
（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）
摘要：介绍基于疲劳分析准则的多跨海管自由悬跨评估方法，采用有限元分析软件Abaqus,结合管-
土相互作用参数，建立多跨海管数值计算模型，提出悬空管道模态分析方法，并基于Palmgren-Miner线性
(5)
式中：Fa为轴向抗力；foat为涂层有效系数，对聚
合物，一般取0.6。轴向摩擦系数冷=Fa/Qs。 (3) 侧向抗力侧向抗力包括被动土抗力和被动库仑摩擦阻力。被动土抗力计算式为
被动库仑摩擦阻力计算式为
F' = N
(7)
式中：〃c = tan+,其中+为内摩擦角。
侧向抗力Fr=Fp +F'。
于一0.5，即 Seff/PE〉一0. 5。
上述条件适用于单跨(孤立跨)，即悬跨的静态和动态特性不受相邻悬跨的影响。相反，在多跨中每个悬跨的静态和动态特性受到相邻悬跨的影响，即这些自由悬跨是相互作用的。上述推荐公式显然不适用。针对多跨问题，DNV-RP-F105规范建议采用近似的响应表达式或精确的有限元法进行自由悬跨分析，以获得应力幅值和固有频率。
4工程算例
4.1输入参数以中国南海某油气田采用的单层管道为例进行
多跨模态分析和疲劳评估。该管道为单层管，外防腐涂层为3层聚乙烯，厚度为3. 1 mm，密度为 940 kg/m3 ；管道总长度为27 km，设计寿命为 25 a。管道输送介质为油和水，密度为293 kg/m3 ；管道内腐蚀裕量为3 mm。管道结构相关设计参数如表1 所示)
第36 卷第3 期 2021年06月
文章编号：1001-4500（2021）03-0058-04

管道悬空的ABAQUS仿真分析

分别为８、１４。
因此在塑性阶段，管材的本构关系方程为：
Ｘ６５：＿Ｌａｌ十８（） ‘ ］
１．２模型假设
理论方法建立的模型并不能完全表征管土相互
作用，有限元方法能给出详细的管道应力和应变分
￡—— 工程应变；
口—— 轴向应力，Ｎ／ｍ。；
— —
Ｘ６５的的单向拉仲试验，测得管材数据和应力应变关系图像，如下。
表ＩＸ６５（Ｌ４５０）单向拉伸试验数据表
屈服应力，Ｎ／ｍ。
结合拉伸试验测得的数据，代人上式，可得和值
一
模型采用整体力学模型［６］。将土体和管道作为
个整体的力学模型来分析处理，在半无限的空间中取出一部分进行建模，对建立管土接触部分耦合
关系［７＿。］，对运算结果进行分析。
对于危险点问题，可以通过特殊点的局部云图
６５
布。ＡＢＡＱＵＳ软件中的土模型中包括Ｄｒｕｃｋｅｒ — Ｐｒａｇｅｒ模型和Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ模型等［３－ ‘ ］，能够考虑侧向土压力系数。借助ＡＢＡＱＵＳ软件，建立管土
题不考虑。 ⑤ 管道和土体的物理性质和受力状况关
的油气长输管道几乎都是埋地管道，管道运营阶段不可避免地涉及到特殊土体导致的地质灾害。埋地管道受外界载荷（如地质滑坡、坍塌、疏松土壤沉降、

埋地管道悬空应力分析

缝系数ｒｌ＝０．８，管道的荷载ｑ＝２００Ｎ／ｍ（注：Ｚ＝ｒｔ（Ｄ４一ｄ４）／（３２Ｄ））
将数据带入公式（１）～（１２）计算得：
ｈ＝５．７ｍｄ＝１２０ＭＰａ。ｂ＝３６ＭＰａＯ＂ｍ＝１５６ＭＰａ
斗
（９）（１０）（１１）
Ｖｑ
段的应力分析对管道安全运行具有重要意义。
（１０）管段弯曲应力：Ｏ＂ｈ：
２
２埋地悬空管道的应力分析
悬空管道由于受到荷载作用而伸长，管道伸长将产生轴向拉伸应力。由于管道伸长会引起悬空段的下沉，从而产生弯曲应力。管道的伸长由两部分组成，一部分来自悬空段，悬空段受到荷载被拉伸而引起管段伸长，另一部分来自管道过渡段，过渡段的伸长由悬空管段对
（Ｉ１）悬空管段最大应力：Ｃｒｍａｘ＝ｏ
（１２）管道不因强度条件而破坏的最大跨度：ｌｍ：／！（１２）
Ｚ管道的截面系数；管道环向焊缝系数实例计算：
悬空部分荷引起的管段下沉高度ｈ＝３ｍ，悬空跨度ｔ＝２００ｍ，过渡段的拉伸和过渡段的温度变化造成。以弯曲应力和拉伸应力之和管道过渡段操作温度与安装温度差Ａｔ＝２０ ℃ ，管道埋深Ｈ：１ｍ，作为管道最大应力，以最大应力作为悬空管道应力计算值进行强度校管道与土壤间的摩擦系数＝Ｏ．５，土壤密度０＝１８００Ｋｇ／ｍ，管道核，并且计算出管道在悬空状态下所能承受的最大跨度。图１为悬空弹性模量２００ ×１０。Ｐａ，管道规格中１５９ｍｍ×６ｍｍ，管道的线膨胀管道模型。系数＝１．２２ ×１０－ｓ／ ℃ ，管道的许用应力［￣］＝４００ＭＰａ。管道环向焊

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析

深水多跨海底悬空管道的疲劳分析引言在深水条件下，跨海底悬空管道是一种常见的输送能源和资源的方式。

然而，由于长期受到海流、地震和波浪等外力的作用，管道会产生疲劳破坏，导致安全隐患。

因此，对深水多跨海底悬空管道的疲劳特性进行分析和评估是非常重要的。

本文将从气候环境、管道特性和应力状态三个方面对深水多跨海底悬空管道的疲劳进行分析。

一、气候环境深水多跨海底悬空管道所处的气候环境对其疲劳破坏起着重要的影响。

海流是最主要的外力之一，其大小和方位会直接影响管道的应力状态。

而波浪则会给管道带来周期性的外荷载。

此外，地震也是一个重要的因素，地震震级和频率将对管道产生冲击力。

因此，需要通过海洋气象台和地震站的数据来预测海流、波浪和地震等气候环境，并进行疲劳分析。

二、管道特性深水多跨海底悬空管道的材料、尺寸和几何形状等特性都会对其疲劳性能产生重要影响。

材料的强度和韧性是其抵御外力破坏的重要指标。

另外，管道的直径、壁厚和跨度等几何参数将直接影响应力分布和疲劳寿命。

因此，在进行疲劳分析之前，需要对管道的特性进行详细研究，包括材料强度测试、几何形状的测量和管道的实际使用情况等。

三、应力状态深水多跨海底悬空管道的应力状态也是影响其疲劳性能的重要因素。

外力作用可使管道产生弯曲、拉伸和剪切等应力。

此外，管道的自重也会对其应力状态产生影响。

因此，需要通过数值模拟或实验方法来确定管道在不同工况下的应力状态，并计算出应力集中区域，以进行疲劳分析。

四、疲劳分析方法深水多跨海底悬空管道的疲劳分析通常采用线性疲劳损伤累积模型。

在此模型中，根据疲劳曲线和加载历史，计算出管道的剩余寿命和疲劳损伤值。

通过对不同剩余寿命下的应力状态进行分析，可确定应力水平对疲劳损伤的影响。

此外，还需考虑循环载荷和静载荷等因素，以更准确地评估疲劳裂纹的扩展和管道的寿命。

结论深水多跨海底悬空管道的疲劳分析是评估其安全性和可靠性的重要手段。

通过对气候环境、管道特性和应力状态的研究，可以更准确地预测管道的疲劳破坏风险，并采取相应的修复和保养措施。

埋地悬空管道的应力分析及计算

埋地悬空管道的应力分析及计算冉龙飞;高文浩;吴栋【摘要】The buried pipelines are threatened from various potential geological disasters, which may lead to earth collapse and soil loss under pipeline, thus to make the pipeline at suspended state, result in pipeline failure, bring the hidden safety problem into pipeline operation and causing severe economic losses and personnel casualty. In this article, based on Winkler linear theory, establishing mechanical model of pipe-soil interaction, using ABAQUS FEA software to achieve the stress distribution on suspended pipeline, obtained the pipeline suspended length in case of reaching yield stage. The calculation results indicated that this kind of pipeline is close to yield stage when the suspended pipeline length up to 160 m.%埋地管道由于受到各种潜在地质灾害的威胁，可能导致管道下方土层塌陷或流失，使管道处于悬空状态，引起管道失效，给管道运行带来安全隐患，并伴随带来严重的经济损失和人员伤亡。

基于LS—DYNA海底悬空管道动力响应分析

基于LS—DYNA海底悬空管道动力响应分析作者：董文乙来源：《中国水运》2014年第06期摘要：基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件，引入非线性弹簧模拟管土接触，采用非线性动力有限元法，对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。

根据计算结果，分析了撞击速度、落物质量对管道塑性变形及动力响应幅值的影响。

关键词：悬空管道碰撞凹陷变形动力响应海底管道服役期间，会受到坠落物体的碰撞，使管道损伤破坏，对于海底悬空管道还会引起悬跨段在垂直方向上的振动。

分析此类碰撞问题，不仅要考虑物体与管道接触，还要考虑管土之间的相互作用，是一个高度非线性问题。

现有的DNV规范规定了海底管道受到拖网鱼具或外来物体冲击后的变形限制条件，给出了允许的最大永久变形的深度与管道外径的关系式，但规范未考虑海床、坠落物等对能量的吸收情况，忽略碰撞过程中各种非线性因素对于碰撞分析的影响。

Wierzbicki等人给出了考虑钢管初始轴向应力影响下，损伤深度与管道吸收能量的计算公式，同时给出了不考虑剪切力条件下撞击力的计算公式。

杨秀娟[4，5]采用三维非线性有限元法模拟了海底管道受到坠物冲击碰撞的过程，分析了坠物形状、碰撞角度、摩擦效应、混凝土厚度以及管道内压对撞击的影响。

对于海底管道碰撞损伤变形的数值模拟常采用有限元分析软件进行数值模拟。

本文借助非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA来模拟海底悬空管道受锚击的动态响应过程，分析海底管道悬跨段受坠物撞击部位的塑性变形及悬跨管段的动力响应，同时讨论撞击速度、落物质量对管道塑性变形及动力响应幅值的影响。

海底悬空管道物理模型1、模型参数管道模型的参数设计参考海底管道工程设计参数，海底管道直径0.508m，壁厚0.0127 m。

由于海流冲刷，海底管道出现悬空段，考虑管道与土的相互作用悬空段两端管土耦合边界取60倍的管径，管道材料为X 65，材料属性如表1。

由于坠落物体形状不一，将坠落物简化为具有一定质量和初始速度的实心球体，半径取0.312m，将附加水质量以密度的形式加到坠落物体上。

悬空管道受力模型的分析与计算

悬空管道受力模型的分析与计算摘要：在地质灾害作用下，管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空，从而可能引发管道失效。

针对地质灾害导致的管道悬垂现象，结合工程实际及现有分析计算模型，以兰成渝石亭江悬垂管段为实例，分析比较了几种不同模型下管道的失效机理。

根据计算结果，推荐选用偏于安全的两端支铰模型。

关键词：地质灾害；悬垂管道；模型；管道失效1 前言泥石流、滑坡、山洪和山区地震等山地灾害将显著影响正常输送油气管道的安全运行[1-3]，不断变化的土壤支撑和边界条件使得悬空管道长度、挠度动态发展，从而可能引发管道失效。

对于悬垂跨越管道的设计计算方法，最初是用柔索理论，即将管道视为一不能承受弯矩，仅能承受拉力的柔索。

鉴于管道并非真正的柔索，而是具有一定刚度的结构物，因而柔索理论不能反映结构的实际受力情况。

本文详细讨论了基于非柔索理论的两端铰支模型、两端嵌固模型和基于弹性地基梁理论的全弹性支承模型，并进行了实例分析，所得结果可用于悬垂管道的工程分析和设计。

2管道基本参数通过计算可得三种模型在挠度为7m时的拉力都未超过管道的屈服应力，而管道在跨度为320m时的挠度也均在设计允许范围之类，全弹性支承模型的结果介于其他两种模型之间，在k0足够大时收敛于嵌固模型。

在三中模型中，两端支铰模型在相同挠度时管道所受拉力相对较大，计算结果偏于保守，故在工程中，考虑到安全，推荐采用两端支铰模型进行计算。

参考文献[1] 冯伟，黄建忠. 滑坡变形对输气管道安全的影响分析[J]. 中国地质灾害与防治学报，2009，20（1）：51-54.[2] 荆宏远，郝建斌，陈开智，等. 在役输油气管道沿线滑坡灾害监测预警技术及应用[J]. 中国地质灾害与防治学报，2009，20（4）：124-129.[3] 李鹤林，李霄，吉玲康，等. 油气管道基于应变的设计及抗大变形管线钢的开发与应用[J]. 焊管，2007，30（5）：5-11.[4] 张效羽，肖芳淳. 悬垂管道跨越的模糊优化设计初探[J]. 西南石油学院学报，1987，9（2）：53-60.[5] GB 50459-2009 油气输送管道跨越工程设计规范[S].[6] 吴晓南，卢泓方，黄坤，等. 基于频谱分析的地震带输气管道应力分析[J]. 天然气工业，2014，34（5）：152-157.[7] 王维，梁政. 关于悬垂管道计算模型的研究[J]. 天然气工业，1997，17（5）：63-66.[8] 吴晓南，鲜燕，黄坤，等. 运行工况下隧道内输气管道的应力分析[J].油气储运，2012，31（12）：927-930.[9] HUANG Kun，LU Hongfang，SHEN Kunrong，et al. Study on Buttresses Distance of Gas Pipelines in the Deviated Well Based on Stress Analysis Method [J]. Advance Journal of Food Science and Technology，2013，5（9）：1249-1254.。

基于弹塑性地基模型的湿陷性黄土地段悬空管道受力分析

基模型计算结果影响不显著。关键词：空管道；悬弹塑性地基模型；Ｗｉｋｅ地基模型；轴向载荷；ｎｌｒ地基刚度；湿陷性黄土；析分
中图分类号：Ｂ１５Ｔ２文献标志码：Ａｄｉ１．９９ｊｉｎ１７ —０５２１．．２ｏ：０３６／．ｓ．６３５０．００００２ｓ４
ｐａｔｅｏａｉｎｅｅｃｎｉｅｅｎｔｅＥＦｌｓｃｄｆｒｔｓｗｒｏｓｄｒｄｉｈＰＭ．Ｔｅｃｌｕａｉｇｅｕｔｎｆｐｐｌｅｆｒｅｎｅｏａｉｎｅｅｄ — ｉｍｏｈａｃｌｔｑａｉｓｏｉｅｉｏｃｓａｄｄｆｒｔｓｗｒｅｎｏｎｍｏｄｃｄｕｅ．ＴｅｃｃｌｔｇｓｆａｅｗａｒｇａｈａｕａｉｏｔｒｓｐｏｒｍｍｅａｅｎｔｅｅｕｔｎｎｎａｔａｕｐｎｅｉｅｉｅｉｏｌｐｉｌｅｓｌｎｗｄｂｓｄｏｑａｉｓａｄａｃｕｌｓｅｄｄｐｐｌｃｌｓｂｅｌｓｈｏｓｎｎａｏａｅａａｃｌｔｄａｘｍｐｅｈａｃｌｔｄｒｓｌｅｅｃｍｐｒｄｗｔａｕｅａｕｓａｄｔｅｒｓｌｙＷｉｋｅｄｒａｗｓｃｕａｅｓｅａｌ．Ｔｅｃｌｕａｅｅｕｔｗｒｏａｅｉｍｅｓｒｄｖｌｅｎｈｅｕｔｂｎｌｒｍｏ — ｌｓｈｓ
ｍｄｌＥＦｏｅ（ＰＭ）ｗｓｕｔｐｔｏｔｉｔｅｆｃｓａｄｄｆｒａｉｓｏｉｅｎ．Ｔｅａｉａｓｏｉｅｎｓａｄｆｕｄｔｎａｂｉｂａｏｅｎｅｍｔｎｆｐｌｅｈｘｌｏｄｆｐｌｅｎｎａｏｌｕｏｎｈｒｏｏｐｉａｌｐｉｏｉ

埋置式石油管道考虑悬空的正常使用性能分析

的单处悬空、处悬空和多处悬空时满足安全运营两的极限跨度，以此提出了预防性技术方案．并
国大量的管道运输为陆地埋置式，其施工方法是先在陆地开挖管沟，后安装管道，后管顶覆盖填然最土．埋置于地下的管道由于管沟支撑条件、大气温度变化和上覆土层等的影响而处于多项复杂受力状态，主要表现为由于覆盖层的压力作用产生弯曲应
力、管道温度变化引起的轴向膜应力、道内压产生管
１埋置管道的边界和荷载条件
１１土体弹性约束．
的应力、管道周边土体改变产生管道弯曲应力、以及管道交变压力引起的交变应力等．对管道埋置于针地下的受力和设计问题，关文献和规范进行了系相统的研究Ｌ］而对于管道运营过程中可能出现的管１． ≈ 道悬空及其安全评价则研究较少．大成、郭王为民等将管道简化为一维梁，于解析方法研究了既有管基道在维修中开挖的最大安全距离［．朔和王建华４罗］针对水流冲刷管底形成悬空管道，其假设为一端将固定一端铰支的均质等截面简支梁，用解析方式利研究了管道悬空临界长度问题，究中悬空状态强研度判别条件与埋地状态相同［．以看出，５可］既有研究
埋置式石油管道考虑悬空的正常使用性能分析
马瑛陈登平蔺鹏臻，，

悬空长输管道地震反应模拟分析

—116 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2017年第45卷第10期◄石油管工程►悬空长输管道地震反应模拟分析雷震廖恒董飞飞杜国锋(长江大学城市建设学院；湖北省油气储运工程技术研究中心）摘要：为研究悬空长输管道在地震载荷作用下的动力响应，利用大型通用有限元软件 ABAQUS 进行数值模拟。

综合分析了地震载荷作用下悬空管道的应力状况和变形特征，同时考察了悬空长度、土壤参数和管径大小以及管壁厚度等参数对悬空管道动力响应的影响。

研究结果表明：管道壁厚、悬空长度、土壤参数和管径大小都会对埋地管道的地震反应产生较大影响，其中管径的影响最大；在一定的管径范围内，随着管径的增大，峰值应力及峰值位移会逐渐减小，当到达临界值后，峰值应力会随管径增大而增大。

研究成果为悬空长输管道的设计、安全维护及科学管理提供了参考依据。

关键词：悬空管道；地震作用；相互作用；ABAQUS;动力响应中图分类号：TE973 文献标识码：Adoi: 10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017. 10.022Simulation Analysis of Seismic Response of Long-distance Suspended PipelineLei Zhen Liao Heng Dong Feifei Du Guofeng(School o f City Construction, Yangtze University; Hubei Provincial Oil and Gas Storage and Transportation Technology Research Center)Abstract ： In order to study the dynamic response of the long-distance suspended pipeline under the action ofseismic load, the general finite element software ABAQUS has been used to conduct numerical simulation. The stress and deformation characteristics of the suspended pipeline under the distribution have been analyzed. The effects of the parameters, like the suspension length, the soil parameters, the pipe size and the pipe wall thickness, on the dynamic response of the suspended pipe have been investigated. The results show that the pipe wall thickness, the suspension length, the soil parameters and the pipe diameter have a great influence on the seismic response of the buried pipeline, and the pipe diameter has the greatest influence. In a certain diameter range, the peak stress and displacement gradually decrease with the pipe diameter. But the peak stress would increase with the pipe diameter when the critical value is reached. The study results could provide references for the design, safety maintenance and scientific management of long distance suspended pipeline.Keywords ： suspended pipeline ； seismic action ； interaction ； ABAQUS ； dynamic response 造成意外悬空也十分常见。

输油管道悬空管段应力计算

第32卷第5期2011年9月石油学报A CT A PETROLEI SINICAV o l.32Sept.N o.52011第一作者及通讯作者:杨毅,男,1977年4月生,2006年获西南石油大学油气储运工程专业工学博士学位,现在中国石油北京油气调控中心工作,主要从事油气管道调控技术研究和管理工作。

E -mail:yangyi.xn @文章编号:0253 2697(2011)05 0911 04输油管道悬空管段应力计算杨毅1 闫宝东1 廖柯熹2(1 中国石油北京油气调控中心北京 100007; 2 西南石油大学石油工程学院四川成都 610500)摘要:输油管道经常穿越特殊地段,管道有可能在洪水或地震等作用下产生悬空管段。

悬空的管段在各种力的作用下可能会失效,严重时会出现断裂现象,给管道公司带来严重的损失。

因此,有必要采取科学方法计算管道的应力,评估油气管道悬空管段的可靠性,制定措施,缓解事故后果的影响程度。

在分析悬空管道受力模型和强度校核模型的基础上,计算并分析了某输油管道悬空管段的应力和可靠性,同时采用应力集中检测仪检测了该管段下游端50m 内的管道应力变化情况。

结果表明,此悬空管段存在运行风险,清空管内存油有助于降低管道失效概率。

对于浮管,水浮力缓解了管道的垂直方向受力情况,但增加了管道横向冲击力,会增加悬空管道的振动频率。

应力集中检测仪现场测试数据表明:越靠近土壤端,悬空管道的应力值越大,该悬空管段的最危险点应该处于土壤区内。

关键词:管道;悬空;模型;强度;应力计算中图分类号:T E 873 文献标识码:AComputing analysis of the suspended segment stress of oil pipelinesYANG Yi 1 YAN Baodong 1 LIAO Kex i 2(1.Beij ing Oil &Gas Pip el ine Contr ol Center ,P etr oChina,Beij ing 100007,China;2.School of P etr oleum Engineer ing ,Southw est Petr oleum Univer sity ,Chengdu 610500,China)Abstract :It is inevitable that oil pipelines hav e to pass t hr ough some special ar eas w here a certain fr agment of pipelines may beco me suspended due to natural geo log ical disasters,such as flood or earthquake.When this happens,the suspended part o f pipelines may suffer fro m failur e under the actio n of var ious fo rces and even break dow n in the ext reme,which w ill bring a gr eat loss to the state or pipeline co mpanies besides an enviro nmental pollution caused by oil leaking.T herefor e,it is necessar y to scientifically compute the st ress o f pipelines,evaluate the reliability of suspended segments of pipelines,and make measures to remedy accidental co nse -quences.On the basis o f analyzing the mechanical model and intensity calibr atio n model o f suspended pipelines,the str ess and relia -bility o f a certa in suspended seg ment wer e calculated and ana lyzed,and a str ess concentr ation detectio n instrument w as applied to in -spect str ess var iatio ns of the 50m lo wer course of this suspended seg ment.T he results sho wed that the suspended segment had a r isk for ma lfunctio n and clearing away the remaining oil fro m the suspended pipeline w ould r educe the invalidation pro bability o f pipe -lines.As for a flo ating pipeline,the buoy ancy of w ater wo uld r educe a force coming fr om the ver tical directio n but increase an impact force g iven later ally that can elev ate the o scillation frequency o f a suspended pipeline.T he on -site test ing data of the stress concent ra -t ion detection inst rument show ed that the closer to t he bur ied pipeline,the g reater the stress value of the suspended seg ment ,thus,the mo st danger ous po int of the suspended segment should be located at the immediat ely buried segment.Key words :pipeline;suspensio n;model;intensit y;str ess com putatio n管道作为5种运输产业之一,近年来在中国得到了快速发展。

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可得
由 W'2(XJ = W'3(XJ 可得
C3 sinh (2αxJ + C4cosh (2αxJ + C 6 [ λlexp( CS =C7 =0.
荷， N;wJx)(i=1 ， 2 ， 3) 分别为管道在 AB 段、 BC 段
图 1 5单塑性地基管遭受力示意图
和 CD 段的变形量， m; 印 l 为 A 点挠度， m 。
Fig. 1 Force model of pipeline based on elastic-plastic foundation
收稿日期 :2009-11-28
基金项目:中石化"十条龙"重点科技攻关项目(问 1013) ;中国石汕大学优秀博士学位论文培育资助项目 (ZIO-IO)
作者简介:王同涛 (1984-) ，男(汉族) ，河南商城人，博士研究生，*'1::.从事储气库和石油管柱力学及安全可靠性研究。
. 114 .
中国石油大学学报(自然科学版)
,(x) = 土 [C， cosh (2αx)
EI
+ C2sinh
~I'
(2αx)J
+
1
4EI，α2 飞
l 一一旷 +
2 'i~
1
""0
M^ -
4 α2)
----'L::- l +ω ， .0 "，三 x '"三 l ， :
,
a \
→向- "'
(7)
2(z)=i[C3Cosh(2αx)
EI
1
I
+ C4 sinh
C 3 cosh(2α xc)
C s 为积分常数 ;EI 为管道截面刚度，
m40 不妨假设 η< 1 ，当 η= 1 或 η> 1 时，可以类
比求得。式 (7) - (9) 中的 8 个待定系数以及吨， N。和 ωl 由管道的边界条件和光滑连续性条件确
+ C4 si出
(2αxJ
- C6 exp( -
2010 年 8 月
对悬空管道受力和变形的影响，并与实测值和 Win
kler 地基模型计算结果进行对比。
AB 段( 0 白运 l ，
):
M , (x)
= 吼叫(叫一切， (x)) - 护(1)
NU'--L 一切 2 (' - - / / o ( ω2 - - L x))
1
管道受力弹塑性地基模型
当埋设管道的土层发生湿陷时，管道的力学模
2αλIXJ
- Csexp( -
2α忖c)=EEI-Eh 一上 11(kwc 一 k ~'~1 4α2 L 2
-
定。
1. 3
1. 3. 1
定解条件边界条件
qMi-htjellZc+71τ (kw c
ι+α
q)
+ 叽+斗kw);
1
(1 8)
中」
由叫(∞ )=fexp(βx) →∞，叫(一声)→ 0 ，
2010 年第 34 卷
中国石油大学学报(自然科学版)
第 4 期文章编号: 1673-5005 (2010 )04-0113 -0 6
Journal of China University of Petrolellm
Vol. 34 No.4 Aug.20 1O
基于弹塑性地基模型的湿陷性黄土地段悬空管道受力分析
BC 段(l， < x '"三 l2) :
M2(x) =Mo +
l , )2;
CD 段 (l2
1 1 - -;;-qx" + 2 kw c(x ~ 2
"".1--
型可以简化为理想弹塑性基础上的连续梁模型(图
1 )。考虑到对称性，以悬空段管道中点为坐标原点
建立直角坐标系，管道轴向方向为 Z 方向，垂直轴向为 y 方向 O
2αλ ， x)
+
C7 e刚 2α À 2 X)+C 8 时 -2αλ ， x) ] +
f , l2 < X 运
第 34 卷第 4 期
王同涛，等:基于弹塑性地基模型的湿陷性黄土地段悬空管道受力分析
. 115 .
(9)
其中
(C 1 - C3 )sinh
(2α ll)
- C4cosh (2α l1) = O. (1 7)
体发生弹性变形区域长度，其相应的数值可以根据弹塑性地基模型的计算获得;管道为等截面，对称截面 A( 中间截面)的弯矩为矶，线重为 q( 管道自重、管道内气、液体的质量) ，则管道任一截面的弯矩为
Mo+÷灿cli)+ 叭， l ,
3(X)
< x ::::;: l2; -
(8)
= 古[问 (2αλ ， x) + 问(
当土体的变形量 w(x)( 管与土的变形量相等)
式 (4) - (6) 为非齐次线性常微分方程，其通解为
未超过叽(l3 段)时，土体表现为弹性性质，该区段
管道受到地基的支撑反力与该点变形量成正比，其值为 kw( x) ，即 Winkler 地基模型。当土体的变形量 w(x) 超过临界值 ωc (l2 段)时土体表现为塑性性质，该区段管道受到地基的支撑反力恒定，其值为
(2αx)J
+
kw co
1.2
数学模型
4ιIα"
一~(一 (kw c - q) -矿 - - - - - C - j -x kw) 飞 2 \. ----C '1/ -
1 "
,
?
,
+ ~(kwcc - q) ,,---4αz
假设塌陷段的民度为 2l ，，受到影响的管道长度
为 1 2 哨，12 为土体发生弹塑性变形区域长度， l3 为土
Abstract: According to the mechanics features of suspended pipelines in collapsible loess area , an elastic-plastic foundation model (EPFM) was built up to obtain the forces and deformations of pipeline. The axial loads of pipelines and foundation plastic deformations were considered in the EPFM. The calculating equations of pipeline forces and deformations were dèduced. The calculating software was programmed based on the equations and an actual suspended pipeline in collapsible loess area was calculated as example. The calculated results were compared with measured values and the results by Winkler model. The influences ofaxial loads and foundation rigidities were studied. The comprehensive results indicate that the EPFM is more accurate and suitable than Winkler mode l. The axialload has great influence on the calculating results , which could not be neglected during the
(2)
<
X 运 13 )
:
M3(X)=Mo+ 叽( W 3 一切 3(X)) 一护+
斗kwc(x-l，一 ιl2)
L 飞 L-
2
+
J
r,+1 帆 (x)(x - Odt 1
2
(3)
式中， M i (x)(i=1 ， 2 ， 3) 分别为管道在 AB 段、 BC 段
和 CD 段的弯矩， N'm;N，。为管道 A 点受到的轴向载
王同涛，闰相祯，杨秀娟
(中国石油大学储运与建筑工程学院，山东青岛 266555) 摘要:根据湿陷性黄土地段塌陷区悬空管道的受力特点，建立考虑管道轴向载荷和地基塑性变形的悬空管道受力的
弹塑性地基模型，推导悬空管道受力和变形计算公式，并利用 Visual Basic 计算机语言编制相应的计算程序对某湿陷
区悬空管道进行模拟计算;将悬空管道的力学分析计算结果与实测值和 Winkler 地基模型计算结果进行对比，分析轴向载荷和地基刚度对计算结果的影响。结果表明:弹塑性地基模型比 Winkler 地基模型具有更高的计算精度，更符合工程应用;轴向载荷对悬空管道受力和变形影响显著，在悬空管道设计校核中不能忽略;地基刚度对弹塑性地基模型计算结果影响不显著。
簧刚度的比值，即
ω =F/k.
地基弹性与塑性变形的临界位移 W c 等于弹性
归 h z饥 ÷卡护护4 川
W~4)(X) - 4α2ω"3(X) +4，卢4切3 ( x) =
*" E
1 < X 运 l3. I' 2
(6)
式中，Ps 为管道上覆土密度， kg/旷 ;H 为管道上覆土