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1、新型屈曲抑制装置的优化设计1. 屈曲问题背景以及解决其意义1.1. 屈曲问题的研究背景随着我国海洋石油开发逐渐向深海领域拓展，许多海洋工程中有关力学的问 题，迫切需要人们去解决，而关于深水立管的屈曲和屈曲传播问题的研究室其中 最为困难却最富特殊的一项研究课题。屈曲传播问题将会严重阻碍管道的正常运行，造成较大的经济损失。在国外， 每修复一公里的海底管道，需要花费大约 150 万美元，因此屈曲传播会给海上石 油天然气的开发带来巨大的经济损失。因此，控制立管的初始屈曲和屈曲传播对 于深水工程具有十分重要的意义。多年来，各国专家对屈曲传播问题进行了大量 的、深入的研究，包括屈曲传播的发生条件、传播形式
2、、传播速度以及止屈措施图 1.1 受屈曲传播破坏的管道屈曲传播是管道受外压作用下产生的特有现象。外压作用下的管道，如铺设 在海底的管道，受到外部静水压力作用时，可能引起管道的局部屈曲；当管道的 内外压差超过了一定极限，即屈曲传播压力，则该屈曲模态会在管道中传播，这 将使整个管道塌陷，导致管道整体结构失效。同时值得注意的是，屈曲传播的压 力远低于初始屈曲压力。屈曲传播现象说明管道的屈曲传播产生在局部，而屈曲 模态的形成也是一个动态的过程，其边界也是随着屈曲模态的传递也是变动的。 屈曲传播现象和发生机理都极其复杂，因此在屈曲传播的研究中，实验工作比理论工作进展要快很多，一些不寻常的现象均在实验中所
3、发现的，屈曲实验对一些 因素的反应很敏感，测试难度较大。其中研究屈曲传播方面的著名专家 S.Kyiakide 做了大量的卓有成效的实验工作，有力的指导和推动了屈曲传播的 理论研究工作。屈曲我国的相关科学技术人员4理认识仍不够深入，还需要我些实验，但是我们对屈曲传播的本质和机 们进行进一步的研究。1.2. 解决管道屈曲传播问题的意义 我国目前的深水工程技术与国际先进水平相比还有很大差距，工程检测与 维护更是相形见绌。 2000 年东海平湖输油管道出现断裂后，国内相关单位用时 一年多才完成修复。因此，正确的对管道进行力学性能及结构稳定性的评估，既 可以防止结构失效带来的经济损失与环境污染，又能有效
4、的避免过早替换带来的 生产与成本问题。其中，屈曲传播可能给海上石油、天然气的生产带来灾难性的 损失，而且局部屈曲又是很难避免的，所以防止屈曲传播的发生是研究工作的重中之重。海底输油气管道在铺设过程中，海底与铺管船之间的悬挂段经常可能发生屈 曲破坏。这种屈曲一旦在管道的小范围内形成，将会沿着管道迅速传播出去，从 而造成严重破坏。屈曲传播有时可达几公里。由屈曲传播导致管道损坏的修复费 用每公里超过 150万美元。因此，控制管道的初始屈曲和屈曲传播对于海底管道 工程具有重要意义。本文基于屈曲传播的经典理论公式 Palmer 公式对海底管道 屈曲及屈曲传播的临界压力进行估算；然后对设计的屈曲抑制器进行
5、建模并进行 数值模拟和有限元分析，得到相应结果；最后应用 MATLAB 软件进行编程，对设 计结果进行优化，得到最优解的计算公式。2. 问题的提出与分析与模型的建立2.1模型的提出目前的屈曲抑制装置主要是采用强度较大、柔性较弱的材料对管道进行局部 加粗来达到抑制屈曲传播的目的，如图2.1所示。虽然这种结构能够有效的抑制 管道的屈曲传播，但是他在一定程度上提高了管道的建造成本、增加了重量并且 在给管道的安装带来了一定的难度。因此我们设计了一种新型的管道屈曲抑制装 置，在更为合理地解决管道屈曲传播问题的基础上，达到了降低建造成本、减轻 重量的目的。这种新型的屈曲抑制由一个外环和8道斜壁构成，设计简
6、图如图2.2 所示。图 2.1 新型屈曲抑制装置示意图这种新型的屈曲抑制装置，将原有壁厚增加部分的圆环在其长度的范围内 改变成由一个薄壁圆环（壁厚与管道壁厚相等）和8 道斜壁（壁厚与管道壁厚相 等）组成的结构。这种结构大大的减轻了抑制装置的重量、节省了材料、降低了 成本，并且屈曲传播的抑制效果非常明显，能够很好的满足实际工程需要。2.1. 模型建立与相关计算根据传统理论，对在没有安装屈曲抑制装置的普通海底管道进行屈曲分析，并建立有限元模型（半径为0.4m，壁厚为0.02m）对其进行屈曲评估，得到的典型应变云图图如2. 2 所示。从图中可以清楚地看到，在管道自由端没有 安装屈曲抑制装置时，屈曲首
7、先发生在自由端，并且屈曲现象向内传播。图 2.2 普通管道屈曲的典型应变云图为了证明新型屈曲抑制装置的止屈效果，建立带有屈曲抑制装置的管道模 型（管道半径为0.4m,管道壁厚为0.02m，装置外环半径0.5m,装置斜壁夹角 120。，装置壁厚均为0.02m，装置长度为0.2m）。通过数值模拟进行有限分析， 得到的典型应变云图如图2. 3及2. 4所示。图 2.3 带有屈曲抑制装置管道的典型应变云图（一）图 2.3 带有屈曲抑制装置管道的典型应变云图（二）从图中我们可以清楚地看到，管道屈曲的产生位置发生很大的改变，即不在 产生在带有屈曲抑制装置的管道自由端产，而是生于管道的中部，且屈曲现象由 初
8、始位置向管道的两边传播。也就是说，新型的屈曲抑制装置起到了很好的屈曲 传播抑制作用。图 2.5 为发生屈曲的管道模型横截面典型应变云图，通过图 2.5 我们可以清 楚地看到设计的模型结构（最外圈为一环状物，四个方向均有立体三角支撑，已 达到稳定加固的作用）在屈曲发生时变形较小，结构稳定。因此，该新型的屈曲 抑制装置的止屈效果明显，且能够很大程度上的降低建造成本，减轻结构重量， 达到了进行该设计的初始目的。图 2.5 屈曲抑制装置的典型应变云图3. 模型求解0.3095Ln(x) + 7.461h切压界临显然，影响该新型屈曲限制装置结构稳定性的关键因素为三角结构的顶角角 度，抓住这一变量因素，我
9、们将大量的数值计算结果通过Matlab软件进行数据 分析，可以得到角度与新建模型的临界压力的函数关系式。通过对分析结果进行 对数回归，我们最终找到了此新型结构的最优合理结构，表2.1为不同设计斜壁 角度时管道的临界屈曲压力，数据回归分析结果如图2.6所示。表2.1设计角度与临界压力的关系表设计角度(degree)01530456090120150临界压力(Mpa)7.527.677.717.847.928.078.158.09临界压力(Mpa)对数(临界压力(Mpa)01530456090120 150设计角度(degree)图2.6数值模拟结果的对数回归(外环半径为0.5m，宽度为0.2m)通过对数回归分析，得到的函数关系式为：y = 0.3095Ln(x) + 7.461 根据上述公式进行计算，我们不难发现，针对本文分析的模型，当我们选取 角度为120o时可以得到该新型屈曲抑制装置的最优设计。综上所述，通过本文的数值模拟、有限元分析及数据回归相结合的方法，可 以得到屈曲抑制装置设计的优化公式，通过该公式得到在一定径厚比和设计外环 固定情况下的斜壁最优角度，即可以得到针对特定管道屈曲抑制装置的最优设 计。【参考文献】1.海底管道屈曲及其传播现象周承调马良2海底管道的屈曲及屈曲传播研究进展陈铁云沈惠申林忠钦3.海洋管道的屈曲问题孙正国
