深水海底管道屈曲传播试验设计.pdf

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1、第30卷第4期2011年12月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．30，No．4Dec，2011深水海底管道屈曲传播试验设计卞雪航，吴海欣，余杨，杨源，李智博，孙刚(天津大学港口与海洋工程教育部、天津市重点实验室，建筑工程学院，天津300072)摘要：针对深水海底管道屈曲传播的研究需要．文中结合国外的相关研究成果。以天津大学现有深海压力舱试验装置为基础，并以DNV规范和ANSYS有限元数值模拟计算结果为依据．设计了深水海底管道屈曲传播试验方案。该试验方案选取径厚比在25~30范围内的小直径管件进行试验。为管道屈曲传播理论研究提供指导。并可作为深水管道止屈嚣试验设计的参考。关键

2、词：深水管道；屈曲传播；屈曲试验中图分类号：P75l文献标志码：B文章编号：1003—2029(2011)04一0093—04深水海底管道在制造误差、海水腐蚀、安装过程中弯曲造成的局部椭圆化等因素影响下，会产生局部缺陷，减弱管道的承载能力，使其在高水压作用下发生局部屈曲。由于屈曲传播压力要小于局部屈曲压力，局部屈曲会沿管道轴向传播，使得整条管道压溃，造成巨大的经济、生态危害。因此，必须对深水海底管道屈曲传播机理进行深入研究，探索止屈方法，指导深水海底管道的设计。目前，深水海底管道屈曲传播方面的研究尚不成熟，这就需要通过试验手段来指导和验证理论研究。在管道的屈曲传播与止屈试验研究方面，国

3、外学者做了大量的工作。如美国的Kriakides曾利用一种小型压力舱进行管道的屈曲传播及整体式止屈器试县佥【”，该压力舱总长4m，内径178mm，内部以水作为压力介质，承压能力62MPa。在该装置中进行屈曲传播试验的管道，管道材质为304不锈钢，直径44．5mm。通常为了更好地观察管道屈曲传播与穿越止屈器，试验者都会选取相对“长”一些的管道进行试验，屈曲传播及止屈试验的管道长度为管径的30～50倍。Kriakides等人通过屈曲传播试验读取了管道屈曲传播压力。并且还在管道上焊接单个或两个整体式止屈器进行管道止屈试验，获取屈曲穿越压力。进而计算出不同止屈器的效率。另外，他们还使用了一种竖

4、置的压力舱进行管道双扣人式止屈器试验。该舱承压能力69MPa。舱体内径76mm，舱长则只有1．74m，通过双扣入式止屈器试验水压曲线，可以读取试验管道的屈曲传播压力、止屈器穿越压力、扣入式止屈器的不同穿越模式等，为扣入式止屈器效率计算和管道止屈研究提供了详实的试验数据。阿根廷工业研究中心也使用一款水压舱对APIX42级钢管进行了焊接整体式止屈器试验口】。该试验管道最长2．25m，直径达14cm。该试验结果也表明，焊接整体式止屈器的止屈效率会影响屈曲穿越模式。安有效率较低止屈器的管道一般发生平行式穿越，而安有效率较高止屈器的管道则易发生正交式穿越等模式。国内外学者在管道屈曲传播及止屈试验

5、方面的探索为设计新型的深水海底管道屈曲传播试验提供了参考和指导。1深水管道屈曲传播试验装置天津大学自主研制了深水油气管道专用试验装置——深海压力舱。整个深海压力舱试验平台包括主舱体机构、注水加压系统和数据采集处理系统。主舱体机构总长11．5m，舱体直径1．6m，可承受43MPa的高压。该机构前端部安有轴向油压机。可对舱内管件施加轴向拉、压力。油压机及前端盖下方则是由电动车与轨道组成的快速定位系统。主舱体结构及尺寸如图1所示。注水加压系统包括注水、排水阀门、加压泵、净化储水箱和附属管路系统等。数据采集和处理系统包括主控台、图像、数据采集处理终端以及配套软件系统。试验时，通过该系统控制试验

6、舱，进行注水、加压以及视频监测、数据采集处理等，实现对试验系统的远程操控。该系统如图2所示。2深水管道屈曲传播试验设计屈曲传播试验用于验证现有屈曲传播理论，以规范与有限元数值模拟计算结果为依据进行深水管道屈曲传播试验方案的设计。2．1试验件尺寸参数确定收藕日期：2011．05—20基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；卜海交通大学海洋T程国家重点实验室研究基金资助项目作者简介：卞雪航(1984．)．男．博士研究生，研究方向为船舶与海洋工程结构动力学。Email：tjltbxh@163．eom海洋技术第30卷a)试验装置实物圈『b)试验装置舱体机构图

7、图1天津大学深海压力舱图2主控系统通过对国外有关管道屈曲传播及止屈试验的调研，可知目前国外绝大部分的管道屈曲传播及止屈试验采用的管件为小直径管。这是为了更有效地研究管件屈曲传播趋势，全面了解管件屈曲传播变形情况，测定屈曲传播速度，去除管件边界条件影响区域后，要使试验管件的屈曲传播区域相对“长一些”。试验管件长度一般在管件直径的30～50倍，其试验设备尺寸有限，不能进行更大尺寸管件试验。天津大学深海压力舱试验段长度为8m，因此进行屈曲传播试验选用