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含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟


第42卷第12期 2009年12月

天津大学学报
Journal of Tianjin University

V01.42

No.12

Dec.2009

含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟
赵冬岩1,一,余建星1,岳志勇3,段梦兰4
(1.天津大学建筑工程学院港El与海洋r程教育部、天津市重点实验室,天津300072; 2.海洋石油工程股份有限公司,天津300451;3.北京大学力学与1二程科学系,北京100871: 4.中围石油大学(北京)海洋油气研究中心,北京102249)

摘要:针对几种常见的缺陷形式,利用有限元软件进行屈曲稳定性分析,并对海底管道整体腐蚀和局部腐蚀两类缺 陷进行了仿真计算,拟舍得到了较为简单的含缺陷海底管道临界我荷的近似计算公式,可供工程设计人员进行相关设 计和评估时参考使用,同时也为制定新的含缺陷海底管道屈曲稳定性设计规范提供了参考依据, 关键词:海底管道;屈曲;初始缺陷;临界载荷 中图分类号:P751 文献标志码:A 文章编号:0493.2137(2009)12.1067.05

Numerical Simulations on Buckling Stability of Subsea
Pipelines with Imperfections
ZHAO Dong-yanh2,YU Jian—xin91,YUE Zhi—yong’,DUAN Meng—lan9 (1,Key Laboratory ofHarbor and Ocean Engineering ofMinistry ofEducation and Tianjin,School ofCivil Engineering,

Tianjin University,Tianjin
2.Offshore Oil Engineering Company

300072,China; 300451,China;

Limited,Tianjin

3.Department ofMechanics and Engineering,Peking University,Beijing 100871,China; 4.Offshore Oil/Gas Research Center,China University of

Petroleum,Beijing 1 02249,China)

Abstract:This paper is to propose merical simulations.Two reduced in


some approximate formulas for the major imperfections of the pipelines by FEM

nil—

cases
as

are

simulated。i.e.,the pipeline segment is totally and locally corroded with the wall thickness

way described

relatively simple formulas ofcritical loads ofsubsea pipeline with imperfections.These formu—
can

las are of practical value in engineering design,and stability evaluations.

be referenced by future

codes and rules for subsea pipeline buckling

Keywords:subsea pipeline;buckling;initial imperfections;critical loads

海底管道在丁作过程中,所受的载荷主要包括由 于管道内部原油温度较高引起的温度应力、平铺在海 底的裸露管道受到的静水压力、埋设在海底的管道受 到的土壤压力、输油时候的内压力、自重以及端部连 接处其他海底管道施加的轴向压力等,这些载荷又可 以简化为轴向压力和径向内外压力.根据工程中的 实践经验,海底管道的屈曲多为轴向或径向受压导致 的埘曲.因此对海底管道屈曲稳定性问题,只需简化

型;②径向外压作用下圆柱壳的屈曲模型.文献【1.3】
指出在轴向对称载荷作用下的圆柱壳,其动力屈曲失 稳荷载和静力屈曲失稳荷载大小基本相同.因此在分 析管道屈曲失稳时,一般只需考虑静力屈曲. 关于圆柱壳在轴向或径向压力作用下的屈曲问 题,相关的研究已经很多,得到了一系列圆柱壳稳定

性的经典结果.依据小挠度屈曲理论得到的这些结
果,有些与实验符合很好(如受径向压力作用下的圆 柱壳),也有一些与实验值出现了较大的差异(如受轴

为两类力学模型考虑:①轴向受压圆柱壳的屈曲模
收稿日期: 基金项目: 作者简介:

2008.09-25;修回日期:2009.03—22. 国家自然科学基金资助项目(50579047);教育部博J=点基金资助项目(20060056023) 赵冬岩(1958一 ),男,博上研究生.高级工程师.

通讯作者: 赵冬岩,zdy@mail.cooec,tom.∞.

万方数据

?1068?













第42卷第12期

向压力作用的网托壳),日.期实验值大部分在理论值 的l/2。1/5之间.为了解释这种现象,前人从理论与 实验两方面进行了探索,提出了非线性大挠度川fHf理 论14。5】和前屈曲一致性理论16 J,并指…韧始缺陷足导致 实验结果与经典理论解仔在差异的主要因素. 由于海底管道在制造和使用过程中不可避免地 会出现缺陷,例如:制造精度fjf起的管线截面的小圆 度和不商度;由于海水、输送介质的腐蚀,造成海底管 道局部管段壁厚变薄;拖网渔船渔具和坠落物的碰撞 (如铺砸)等机械性损伤.因此在考虑海底管道的剧曲 问题时,应考虑符道缺陷的影响.上述缺陷可以分为 几何刑缺陷(如截而不网等)和体积刑缺陷(如腐蚀引 起的局部管段和局部位置嚷厚变薄等)两大类.其中 几何型缺陷的问题在文献[7—9】中均有论述,本文不 再详述.但体积型缺陷f}1丁考虑局部质畦损失,目前 尚无很好的解决办法.T程j..使用的海底管道剧曲稳 定性的设计方法,仍然足参照完好管道的经典删论 解,含缺陷的海底管道心曲稳定性还没有海底管道工 程界普遍认可的方法. 笔者针对海底管道的局部管段变薄、局部f{7:置变 薄等体积型缺陷,利用大刑行限元软件Ansys进行建 模计算.由于常用的海底管道,其截面、仁径是壁厚的 10倍以上,因此在Ansys计算中n,以!I{作薄壳结构 来处理.

对端部简支院l柱壳受轴压作用情况,临界载倚的 经典理论解为

口,:一—坠

旺,=—下—亍 a,/30一y2)
量纲.

(1) L J,

式中:£为圆柱壳材料弹性模量;y为泊松比,无 圆柱壳JHj曲失稳时有轴对称屈曲和非轴对称屈 曲2种形式,日.2种埘曲形式的l临界裁荷是卡H同的, 实际观察剑的多为非轴对称埘曲.根据小挠度理论 求得的屈曲临界载荷珥,又称为经典线性IJj;;界载荷, 这里沣意到临界载荷与壳体lj==度无关,而实验却指

J叶J,临界载倚是随管长,的增加而降低的旧.另外式
(1)对短壳(箭长小于管线截呵、仁径的圆柱壳为短壳, 其余的则为中长壳)不适用. 对端部简支|员l柱壳受径向外』K力作用的情况,由 唐奈尔(Donnell)简化模型得到的临界载荷为 肠3

%2丽而i
1.2完好管道稳定性数值模拟分析 对完好管道情况,分别采用Ansys软件中的特 征值剧曲分析方法和非线性川曲分析方法求解管道 的屈曲临界载倚,将计算结果与鲐典理论解比较,可 以求得无量纲I|衔界载荷. 海底管道参数取自某实际T.程,其中管外径为
0.219 1

m。有效输油内径为0.199


71


m,管线弹。降模 10’kg/m3.管道



完好圆柱壳稳定性分析
完好圆柱壳稳定性的若干经典结果 如图1所示建●:柱坐标系统,取嘲柱壳的轴向为

量为2.03

101l

Pa,钢管密度为7.8

可以看作网柱壳模刑,用壳单元进行整体的有限元模 拟,对局部损伤佗置采用网格更细的体单元,边界条 件为两端简支边条件,损伤缺陷的描述参见第2.1和
2.2节.

1.1

x方向,壳体横截面的环向为p方向,径向为z方 向.图中:a为网柱壳横截面半径,m;h为I员1柱壳壁 厚,m;,为I员Ifk壳长度,m.

1)轴向压力作用 圆柱壳受力模型如图2所示.设由Ansys中的 特征值方法求得的临界载荷为盯,非线性方法求得的 临界载倚为瓯.与经典线性理论得到的II{;i界载荷g, 相比,误差分别为旦r二旦和堡[堕,计算结果如表1
旺。 所示. 正,

图1圆柱壳的坐标系统
Fig.1 Coordinates of cylinder

由于海底管道所受的心|||1载简主要为轴胝或径 向外压作用,因此只考虑网柱壳受轴压和径向外压作 用两种情况.对完好圆柱壳模刊,考虑小挠度屈曲问 题,由线性屈fHf珲论可以得到圆柱壳在基本载荷作用 下的临界载倚值‘10-11].
Fig.2

图2受轴压作用的圆柱壳模型
Model of axial compressed cylinder

万方数据

2009年12月

赵冬岩等:含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟

表1数值计算得到的临界载荷与经典线性理论解的误 差比较
Tab.1 Error

特征值方法求得的临界载荷为q,非线性方法求得的 临界载荷为g。,与经典线性理论得到的临界载荷%

comparison between numerical

results and classical linear theory

的误差分别为继和她,计算结果如表1所示.
g盯

9cr

压力类型 轴向压力 径向外伟力

特}【}!值方法误芹腻
13.3 1.90

仆线性力.法误差肠
24.5
29.O

可以看到,经典理论解偏大,这与别人的实验结 果是一致的.另外,在Ansys计算中使用非线性方法 比特征值方法得到的临界载荷更小,这是因为使用非 线性方法计算临界载荷时,为了诱使管线发生屈曲, 而给管线施加了与其屈曲模态形状一致的初始位移 缺陷(位移缺陷大小约为特征值埘曲变形分析中求得 的位移的0.002倍)缘故,说明临界载荷对初始缺陷 是比较敏感的. 经典理论解得到的l临界载荷与管长没有关系,而 Ansys计算结果指出,随着管长增加,l临界载荷略有 降低.例如取管长,_a时的临界载荷为基值,将管长 增大,分别求得相应的临界载荷,并与基值对比,得到 无量纲的临界载荷随管长变化的关系曲线,如图3所 示,这点与实验一致.
图4受径向外压作用的圆柱壳模型
Fig.4

Model of radical compressed cylinder

由Ansys中特征值屈曲分析方法求得的临界载 荷同经典理论解很接近,实验结果也表明径向外压作 用下的圆柱壳,其经典理论解误差较小.但注意到使 用Ansys中的非线性方法得到的结果比经典理论解 小很多,这也是因为在使用Ansys软件计算时,已经 考虑了初始缺陷影响的缘故. 从前面的分析可以看到,使用非线性屈曲分析 方法得到的临界载荷值比较小,在使用时偏安全.对 于实际结构求解屈曲J赶力时,为安全起见,建议使用 非线性方法求解.但在海底管道工程中,如果分别对 每个管道建立力学模刊求解,则会非常麻烦.工程上 目前进行海底管道屈曲稳定性设计时,一般采用经典 临界载荷乘以安全系数的方法,这样处理既保证了安 全,又可以使计算过程简单. 对含缺陷的海底管道问题,目前还没有合适的 求解临界载荷值的方法.本文针对几种常见缺陷形

图3无量纲临界载荷与管长关系
Fig.3 Non—dimensional critical load
YS

式,利用Ansys软件中的特征值方法(因为该方法得 到的结果和经典理论解比较接近,便于工程应用的延 续性)进行仿真计算,求得含缺陷管道的无量纲临界 载荷五(含缺陷管道的I临界载荷值与完好管道临界载 荷值的比值)与缺陷参数之间的关系,从而为工程上

pipe length

在管道较短时,管道产生的屈曲主要是壳形屈 曲,随着管道长度的增加,管道梁形屈曲的临界应力 逐渐降低,当管长,=lOa时,由欧拉临界力

屹2丁


7c2E/


提供较为简单的含缺陷管线临界载荷的近似简单计
算公式.

求得管道粱型屈曲的临界应力已经小于壳型屈曲的 临界应力.因此,当管道较长时,不仅要考虑管道壳型 屈曲,还要考虑管线梁型屈曲.由于在海底管道工程 中,壳型屈曲的危害比梁型屈曲的危害大,因此主要

2含体积型缺陷海底管道稳定性分析
2.1

管道整体腐蚀缺陷 受到海水及输送介质腐蚀等原因引起的管道某

研究管道壳型屈曲问题,而未考虑长管线的梁型
失稳. 2)径向压力作用

管段壁厚变薄的现象,考虑到腐蚀深度是渐进变化
的,腐蚀缺陷一般是轴对称的,因此可以设缺陷形式

圆柱壳受力模型如图4所示.设由Ansys中的

为w‘(z)=叫厅sin孚,此处的∥为壁厚变薄参数,即在

万方数据

?1070?













第42卷第12期

坐标x处的管道壁厚为h+W’(x),如图5所示,在数 值计算时取管线长度,≥2a(一般认为当/<2a时,计 算结果变化较大;当,≥2a时得到的结果变化很小, 而海底管线一般较长,冈此取,=2a汁算即可).

在∥≤0.4时,拟合得到尤量纲临界载荷近似为
见=1.252 l/.t2—1.891 2y+1

(5)

2.2管道表面局部损伤缺陷 平铺或浅埋在海底表面的管道容易受到拖网渔 具、锚砸等机械性损伤或擦伤,从而引起管道衷而局 部位置壁厚变薄缺陷.在Ansys建模中,缺陷形状可 以看作是网球与圆柱相交,其相交面在阋}l:面E闱成 的面积,如图8所示.图中b为缺陷宽度,,.为|员1球半 径,缺陷最深处的管道壁厚为(1一∥)厅.

图5
Fig.5

圆柱壳局部变薄示意及有限元模型
Local thinning of cylinder and FE model

7了厂萨弓年彳/

1)轴向压力作用 使用Ansys软件计算,可以求得无量纲的临界载 荷值,对应于大小不同的缺陷,可以得到不同的结果, 如图6所示,其中五为无量纲临界载荷(含缺陷圆柱 壳临界载荷和完好圆柱壳I临界载荷比值). 在∥≤0.4时,拟合得到无量纲临界载荷近似为
五=1—1.3589/t

L叫。f
//////


图8圆柱壳表面局部位置壁厚变薄现象
Fig.8 Local

(4)

surface thinning of cylinder

1)轴向压力作用 取管道长度,=2a,图9中给出了不同缺陷宽度 下,无量纲临界载荷兄与壁厚变薄参数/t的关系. 从图9可以看到,在缺陷较小时,管道的屈曲临 界载荷下降不大,此时管道的剧曲变形是整体变形, 当缺陷的宽度和深度都达到一定范嗣后(如b> o.5a,∥>0.4),管道的心曲临界载荷迅速降低,此时
图6轴向压力作用下局部变薄无量纲临界载荷与参数 It的关系
Fig.6 Non—dimensional critical load of local under axial pressure

管道的屈曲变形已不再是整体变形而是缺陷所在位 置处发生的局部变形,此类局部屈曲失稳危害很大, 在。L:程应用中应该特另illl,心此类缺陷.可见,对这种 荷载作用下的缺陷,重要的是确定心曲临界载荷迅速 降低时的缺陷的宽度和深度,具体的无量纲临界载倚 兄与壁厚变薄参数∥的关系已不重要.

thinning船∥

2)径向压力作用 使,喟Ansys软件数值计算,同样町以求得一组无 量纲的临界载荷值,如图7所示.



图7径向压力作用下局部变薄无量纲临界载荷与参数
掣的关系
Fig.7 Non-dimensional critical load of local thinning under radical pressure

图9轴向压力作用下表面变薄无量纲临界载荷与参数 ∥的关系
Non-dimensional critical load of local surface thin-
ning

VS∥

Fig.9

VS∥under axial pressure

万方数据

2009年12月

赵冬岩等:含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟

?1071?

2)径向压力作用 数值计算表明,对b<0.7a,∥<o.6的缺陷,管道 的屈曲形状为整体变形(管道整体变扁),并没有出现 局部屈曲,因此不会引起临界载荷较大的下降.取 b=o.7a,无量纲临界载荷彳与参数∥的关系如图10 所示.

ling of buried pipelines by seismic ternational Journal

excitations[J].加?

of

Soil

Dynamics and Earthquake

Engineering,1984,3(4):168-173.

[4]Timoshenko

S P,Gere J

M.Theory of Elastic Stability

[M].New York:McGraw—Hill,1961.

[5]Bleich
New

F.Buckling Strength

of Metal Structures[M].

York:McGraw—Hill.1 952.
V Z.Thin—walled elastic

[6]Vlasov

beams[G]//Offiee

of

Technical Services.Israel Program fo,Scientific Trans-

lations.Washington
merce,1961:38.46.

D C:US

Department

of

Com—

[7]

Column

Research Committee

of

Japan.Handbook of
Publishing

Structural

Stability[M].Tokyo:Corona
Limited,1971.

Company 图10径向压力作用表面变薄无量纲临界载荷与参数∥ 的关系
Fig.10

[8]

余轩凌.含缺陷海底石油管道的弹性稳定性分析[D]. 北京:北京大学力学与丁程科学系,2003.
Yu

Non.dimensional critical load of local surface thin—
ning

Xuanling.The

Elastic Stability Analysis of Subsea of

ps∥under radical pressure

Pipeline with

Imperfections[D].Beijing:Department

对b=o.7a的缺陷,在∥≤0.6时,拟合得到无量 纲临界载荷近似为
名=0.027 5“2—0.164 45fl+1

Mechanics and Engineering,Peking

University,2003(in

Chinese).

(6)

[9]岳志勇.海底输油管线的抗震设计方法与含缺陷管道 的稳定性研究[D].北京:北京大学力学与工程科学
系,2004.

对b<0.7a的缺陷,其I临界应力下降更缓慢.

3结论
(1)对海底管道整体腐蚀缺陷,轴向压力作用下 其临界心曲载荷近似为2--1—1.358 9∥;径向压力作用 下临界心曲载荷近似为2=1.252 1,112-1.891
2Ⅳ+1.

Yoe

Zhiyong.The

Anti-Earthquake Design

Method of

Subsea Pipeline and the Stability Study of Subsea Pipe— line with

Imperfections[D].Beijing:Department

of

Mechanics and Engineering,Peking University,2004(in Chinese).

[10]武际町,苏先樾.弹性系统的稳定性[M].北京:科学 出版社,1994.
Wu Jike。Su Xianyue.The Elastic System Stability[M].

(2)对海底管道局部损伤缺陷,轴向压力下临界 屈曲载荷对缺陷不敏感;径向压力下,临界屈曲载荷 近似为五=0.027 参考文献:
Lee L H N.Ariman T,Chen C pipelines by

5∥2—0.164 45fl+1.

Beijing:Science Press.1994(in Chinese). [11]周承倜.薄壳弹塑性稳定性理论[M].北京:国防工 业出版社,1979.

C.On buckling of buried

Zhou Thin

Chengti.The Elastic—Plastic

Stability Theory of
Industry Press,1 979

seismic

excitation[C]//ASME.P,伽sure

Shell[M].Beijing:Defense

Vessel andPiping.San Francisco.1 980:80一C2/PVP一75.

(in Chinese).

[2]

Chen

C C.Ariman of buried

T.Lee

L H N.Elastic seismic

buckling

[12]吴连元.板壳稳定性理论[M].武汉:华中理工大学 出版社,1996.
Wu Lianyuan.The Stability Theory of Plate and Shell

analysis

pipelines under

loads[C]//
Francisco.

ASME.Prossure Vessel and Jpiping.San
1 980:80.C2/PVP.76.

[M].Wuhan:Huazhong University
nology Press。1996(in Chinese).

of

Science&Tech—

[3]

Lee L H N.Ariman T,Chen C C.Elastic—plastic buck—

万方数据


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