深海夾層管復合結構非線性屈曲失穩(wěn)機理研究.pdf

1、隨著海洋油氣資源的勘探開發(fā)邁向深水和超深水海域，對海底油氣管道也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的單層海底管道由于浮重度較大，絕熱性能較差，已不適合應用于于深水和超深水海域。夾層管復合結構是近年才發(fā)展起來的海底管束技術，在深海油氣資源開發(fā)和輸運中具有顯著的優(yōu)勢。深水海底管道在安裝和服役期間，需要承受巨大的外部靜水壓力和不同程度的彎曲作用，同時材料非線性和幾何非線性的存在使得管道受力更為復雜。深海高壓環(huán)境容易誘發(fā)管道發(fā)生局部屈曲，在靜水壓力作用下屈

2、曲將沿管道軸向傳播，導致整條管道發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成重大的經(jīng)濟損失和生態(tài)影響。因此，開展深海夾層管復合結構非線性屈曲失穩(wěn)機理研究具有重大的工程意義。
　　本文采用具有較高結構強度和良好保溫絕熱性能的聚丙烯作為夾芯層材料，通過試驗測得聚丙烯夾芯層與內(nèi)外鋼管之間的粘結特性，考慮不同的層間粘結性能，分別對夾層管在外壓和彎曲作用下的屈曲失穩(wěn)進行了精確的數(shù)值模擬分析，主要研究工作概述為以下幾個方面:
　　(1)夾層管層間粘結性能試驗研究

3、。通過單軸拉伸試驗和單軸壓縮試驗測得聚丙烯材料的應力應變關系曲線，設計不同的試驗方案分別研究夾層管層間環(huán)向粘結性能和軸向粘結性能，探究了不同黏結劑和接觸面粗糙程度對層間粘結性能的影響。
　　(2)外壓作用下夾層管非線性屈曲失穩(wěn)研究。將外壓作用下夾層管的屈曲失穩(wěn)簡化為平面應變問題，運用有限元分析軟件ABAQUS建立了相應的數(shù)值模型，采用節(jié)點間非線性彈簧模擬夾芯層與內(nèi)外管之間的粘結性能，通過廣泛的參數(shù)化分析，研究了層間粘結性能、鋼管初

4、始幾何缺陷、截面幾何構型以及材料特性等因素對夾層管屈曲失穩(wěn)的影響。
　　(3)純彎作用下夾層管非線性屈曲失穩(wěn)研究。建立了夾層管在純彎作用下的三維數(shù)值模型，通過一系列的參數(shù)敏感性分析，研究了管道長度、層間粘結性能、截面幾何構型以及材料特性等因素對夾層管屈曲失穩(wěn)的影響。
　　研究結果表明，無論是外壓，還是彎曲作用下，夾層管的屈曲性能相比傳統(tǒng)單層管都有較大幅度的提升;外壓作用下，層間粘結性能對夾層管屈曲性能影響較大，而彎曲作用下，