冻土区油气管道屈曲临界载荷分析

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1、中图分类号：TE973.1单位代码：11414学号：2014214129题目冻土区油气管道屈曲临界载荷分析学科专业安全科学与工程研究方向油气生产装备失效分析与完整性管理硕士生陈金孝指导教师张宏教授二○一七年五月摘要摘要油气管道穿越高寒冻土区时会不可避免地遭受冻胀灾害，管道会发生弯曲变形。油气管道安装温度与运行温度的差异会产生轴向力，管道受到冻胀丘扰动更容易发生轴向屈曲，这对管道安全运行构成重大威胁。为了更加深刻认识冻土区油气管道轴向屈曲规律，为管道设计提供合理的准则，本文采用理论解析和有限元模拟结合的方法研究冻土区油气管道

2、轴向屈曲特性。在理论解析中，基于小挠度理论建立了直管道轴向屈曲的力学分析模型，获得了Hobbs经典解，解释冻土区油气管道发生轴向屈曲的机理；建立了冻胀丘扰动下管道轴向屈曲的力学分析模型，利用弹性力学中的最小势能法获得管道屈曲的临界载荷，以NormanWell管道KP5.2处轴向屈曲为例验证解析法的合理性。在有限元模拟中，建立受冻胀丘扰动的管道轴向屈曲有限元模型，以NormanWell管道KP5.2处轴向屈曲为例验证有限元模型的合理性；分析管材差异、管道几何尺寸、冻胀丘扰动以及管土相互作用中各个参数对管道屈曲临界载荷的影响，

3、确定影响管道发生轴向屈曲的敏感性参数。以中俄原油管道漠大线为例，对不良工况下管道轴向屈曲的极限状态进行研究，根据有限元分析结果针对不良工况提出了相应的防治措施及建议。关键词：油气管道；冻土区；轴向屈曲；理论解析；有限元模拟-II-ABSTRACTAnalysisofCriticalBucklingTemperatureofOilandGasPipelinesinPermafrostAreaABSTRACTOilandgaspipelineswillbedisturbedbyfrostheavedisasterswhenpa

4、ssingthroughpermafrostarea,whichmightresultinbendingdeflectiononpipeline.Whenbeingdisturbedbyfrostheave,pipelineispronetooccurbucklingundertheeffectofaxialforce,whichiscausedbydifferenttemperaturebetweeninstallationandoperating.Itwouldthreatenthesafetyofpipeline.I

5、nordertofindoutthebucklinglawofpipelineandprovideareasonablecriterionforpipelinedesign,theoreticalanalysisandFEsimulationwereusedtostudythebucklinglawofpipelineinpermafrostarea.Inthetheoreticalanalysis,amechanicalanalysismodelofstraightpipelinewasputforwardbasings

6、malldeflectiontheory,andtheHobbssolutionwasobtainedtoexplainthebucklingmechanismofpipelineinpermafrostarea.Besides,amechanicalmodelofpipelinedisturbedbyfrostheavewasestablished.Thecriticaltemperatureofbucklingpipelinewasobtainedbyusingleastpotentialenergytheory.Th

7、entherationalityofthetheoreticalanalysismethodwasverifiedbythecaseofaxialbucklingatKP5.2inNormanWellPipeline.IntheFEsimulation,afiniteelementmodelofdisturbedpipelinewasestablished,andtherationalityoftheFEsimulationmethodwasverifiedbythecaseofaxialbucklingatKP5.2in

8、NormanWellPipeline.Thentheparameterssuchaspipelinegeometryandpipe-soilinteraction,whichmightinfluencethecriticalbucklingtemperature,wereanalyzed.Finally