中国石油形成海底管道抗屈曲和抗压溃模型实验技术

设立于中国石油集团海洋工程有限公司工程技术研究院的集团公司海洋工程重点实验室,依托国家863项目"深海油气输运高强厚壁管材关键技术研究",形成深水高压环境下的海底管道的抗屈曲和抗压溃模型实验技术。这项技术用于解决深水海底管道在铺设过程中受到静水压力和弯矩联合作用下的抗屈曲和抗压溃实验检测。海洋工程重点实验室技术人员通过管道有限元模型分析,建立缺陷和弯矩等效关系,确定缺陷尺寸,设计     

海底输气管道强度设计

海底输气管道建设方兴未艾，海底管道设计正向着高压力、大管径、长距离、深海域发展。与陆上管道强度设计不同，海底管道壁厚计算的基本载荷除了管道内压外还应考虑海水水深造成的静水压力。在很高的静水压力作用下，管道截面可能发生屈曲，当外部压力超过某一临界值时，局部屈曲可沿管线轴向传播。本文介绍了海底管道强度设计的特点、管道壁厚的计算方法和防止海底管道发生屈曲变形传播的措施。     

动力载荷与外压联合作用下深海管道的压溃

建立具有局部椭圆度的海底管道模型进行结构安全评估,模拟管道屈曲过程并得到临界动力面载荷幅值。分析阻尼对管道屈曲的影响并选取管道阻尼比,并对考虑阻尼管道模型的外压、圆频率、椭圆度进行敏感性分析。结果表明:阻尼对动力载荷下管道压溃有较大影响。在其他条件相同的情况下,余弦载荷对结构的危害性大于正弦载荷,椭圆度管道长轴动力加载的危害性大于短轴加载。     

基于深水海底管道压溃破坏的结构可靠性研究

针对深水海底管道压溃破坏失效特点,利用数值模拟和全比例压力试验相结合的方法,开展了深水海底管道结构屈曲压溃分析,在此基础上拟合出管道压溃破坏的结构承载力显式表达式,并以此构建安全裕度方程;采用国际推荐的JC法进行了深水海底管道结构可靠性指标计算,对不同初始椭圆度、轴向拉力、屈服极限和径厚比等随机分布参数进行了敏感性分析,研究了参数分布对深水海底管道可靠度的影响,为深水工程结构设计提供了参考和安全保障。     

深水海底管道屈曲试验数据采集技术研究

为了观察深水海底管道屈曲试验过程中管道的屈曲进程和测量管道在屈曲变形过程中的应变,设计和完善了一种适用于深海海底管道屈曲试验数据采集的工艺流程和方法。数据采集工作的重点是保护应变片并使其在模拟深海环境中能够正确输出试验数据,同时可以实时监控试验压力等数据。试验结果表明：研制出的深水海底管道屈曲试验数据采集技术和方法可行、有效。     

深水三明治管研究进展

三明治管是一种复合结构管道,由于其高结构强度和较好的保温性能而成为深水管道研究的热点。概述了国内外学者通过理论分析、试验测试和数值模拟等手段展开的关于三明治管结构及力学行为方面的研究成果。主要包括管道结构、管道理论及其保温性能,深水工况下的屈曲、压溃和屈曲传播,管道在受到安装载荷或外来冲击载荷下的抗弯性能和抗冲击性能等。基于目前的研究现状,提出了需要进一步深入研究的问题。研究结果有利于对不同水深三明治管结构进行优化设计。     

深海球阀屈曲稳定性影响因素数值模拟分析

为保证深海球阀在压差和其他外载荷存在时不发生局部屈曲失稳或整体屈曲失稳现象,对深海球阀阀体屈曲稳定性影响因素进行了研究。利用ABAQUS有限元数值模拟软件,基于屈曲理论和稳定性理论,分析内压、阀杆孔洞和壁厚等因素对深海球阀阀体的屈曲稳定性影响。模拟结果表明:内压的存在使阀体可承受更大的外压载荷;阀杆对阀体孔洞具有补强作用,带阀杆阀体的临界载荷大于无阀杆阀体的临界载荷且小于完整圆柱壳的临界载荷;随着壁厚的增大,临界载荷值也增大。研究结果可为其他深海类阀门屈曲稳定性分析提供参考。     

含初始缺陷海底管道外压非线性屈曲研究

随着海洋油气的开采逐步走向深水,外部静水压力成为深水海底管道的重要环境条件。含初始缺陷海底管道在外部压力的作用下,可能会发生局部屈曲,并沿轴向发生屈曲传播,造成重大损失。为了进一步探究含初始缺陷海底管道在实际工况下受到外压作用时的响应,运用数值模拟方法对海底管道在外压作用下的屈曲特性进行研究。考虑到海底管道材料非线性和几何非线性,通过非线性有限元方法对带初始缺陷管道的压溃力学特性进行了研究;基于Python参数化建模的方法,计算超过1 200个数值模型,对影响带初始缺陷管道屈曲的几何参数和材料参数进行敏感性分析;运用非线性最小二乘法拟合得到极限承载力简化计算公式,并与相关试验数据进行对比,误差小于7%。     

静水压力作用下海底单层保温管道压溃屈曲分析

基于弹性力学理论,根据单层保温管道的结构特点、力的层间传递特性和管体变形协调条件,建立了静水压力作用下海底单层保温管道各层受力分析模型,探讨了静水压力作用下海底单层保温管道各层应力分布计算和临界屈曲荷载分析方法,并对南海某油田海底单层保温管道进行了压溃屈曲分析计算,其结果已用于该工程项目设计,并通过了第三方检验机构的检查。     

外压作用下夹层管复合结构屈曲传播分析

深海巨大的静水压力容易引起管道的局部屈曲失稳。针对外压作用下的深水夹层管复合结构屈曲传播问题,采用ABAQUS非线性有限元软件建立了含初始缺陷下夹层管三维非线性准静态屈曲传播数值模型,得到屈曲传播过程中夹层管的屈曲变形形态,并在此模型基础上针对夹层管屈曲传播性能进行了广泛的参数敏感性分析。计算结果表明:初始缺陷大小主要影响夹层管屈曲失稳压力,而对屈曲传播压力无明显影响;增强夹层管层间粘接特性能够显著提高管道抗变形能力,增大屈曲传播压力;夹层管几何尺寸参数及材料力学特性对夹层管屈曲传播性能有显著影响。研究结果对于石油夹层管道的优化设计具有一定的参考意义。     

X70厚壁海底管线钢管研制

根据我国南海深海管线用钢管的技术要求,开发出了厚壁X70钢级φ765.2 mm×31.8 mm海底管线钢管。通过对钢管进行检测:钢管管体纵向和横向屈服强度≥550 MPa,抗拉强度≥660 MPa,屈强比最低达到0.81,焊缝抗拉强度达695 MPa,均匀延伸率达到了7.6%,断后伸长率达到54%;在-20 ℃下管体冲击功平均值为340 J,焊接接头冲击功平均值最低为168 J;在0 ℃下管体CTOD特征值δm最高达到0.688 mm,焊接接头最小为0.222 mm,热影响区最小为0.280 mm。钢管管体母材、热影响区、焊缝部位的抗氢致开裂、硫化物应力腐蚀及盐雾腐蚀性能良好。试验结果表明研制的X70钢管具有优良的强塑性、低温韧性、断裂韧性及耐腐蚀性能,适用于海洋服役环境的油气输送。     

海底管道侧向屈曲概率化分析方法

介绍海底管道侧向屈曲概率化分析的理论基础和方法,编制基于蒙特卡罗分析方法的侧向屈曲模式计算程序,并结合有限元分析,实现对可接受虚拟锚固间距的筛选,形成海底管道侧向屈曲控制的基础。给出基于概率化方法的侧向屈曲分析实例,该方法已在工程实际项目中成功应用,所得结论对深水高温高压海底管道设计与建设具有指导意义。     

夹层海底管道在侧向撞击力下的凹陷行为

夹层管作为油气输送管线应用于深水高压和管道碰撞事故频发的海洋环境中,能提供更大的结构抗力,但目前对夹层管受坠物撞击凹陷行为的认识尚不深入。为此,基于薄壁管凹陷变形理论模型,采用有限元方法研究了夹层管在侧向载荷作用下的结构凹陷行为,通过参数分析,探讨了内部介质压力、外部静水压力和环空率等对夹层管结构响应的影响。研究结果表明:夹层管的载荷抗力随凹陷深度增加呈非线性增长,其凹陷变形符合薄壁管刚-塑性三维壳的凹陷变形机理;内压增大可以提高管道对撞击载荷的抗力,而外压作用则与之相反;增加核心层厚度能改善夹层管各层能量吸收占比,从而对内外部管道起到保护作用。研究结果对夹层保温管道设计及安全评估具有一定的指导意义。     

便携式管道外对口器坡口矫正分析

为了解决复杂工况下管道对焊坡口的整形问题,运用ANSYS对双对称丝杠滑块机构的便携式管道外对口器进行有限元分析。分析了在一系列载荷作用下管道及对口器的变形情况和应力分布,结果表明,Ф325mm×8mm管道在8MPa载荷作用下发生塑性变形,此时对口器的等效应力强度远小于屈服应力,未发生塑性变形。该对口器的最大承重能力为24MPa,最大能够矫正椭圆度为2．6％的变形管道。     

滩浅海输油管道悬空隐患不停输治理

文章结合工程实际,在运用ABAQUS软件对海底管道进行应力和涡流激振悬跨分析的基础上,提出了海底管道悬空隐患不停输治理方案(悬跨段管道路由修正设计→悬空段碎石回填→水力喷射挖沟→管道检测→应力复核),并在工程中实施,治理施工完成后的管道应力复核计算结果表明,外管应力最大为100.4 MPa,内管最大弯曲应力为72.3 MPa,混输管道外管修正后的应力满足了规范要求。     

BSG-65钢级SEW石油套管的研制

为了实现套管性能与成本的合理匹配,采用新型焊管热机械控制工艺(高频电阻焊+焊管热张力减径+余热在线快速冷却)开发了一种低能耗、轻量化的BSG-65钢级Φ139.7 mm×9.17 mm SEW套管。试验评价了试制套管的理化性能、全尺寸实物性能等多项性能。结果显示,产品的屈服强度和抗拉强度平均值分别达到490 MPa和692 MPa,0℃时1/2尺寸母材和焊缝横向冲击功平均值分别达到42 J和35 J,螺纹连接强度平均值达1 706 kN,抗内压至失效强度平均值达77.6 MPa,抗外压挤毁强度平均值达60.1 MPa,产品的各项性能达到相关技术要求。     

深海油气管道连接器密封机理与多目标优化研究

深海油气管道连接器的结构参数直接影响其密封性能,因而对连接器进行密封机理分析与结构参数优化研究具有重要的意义。为此,首先分析了金属接触静密封的形成机理,建立了连接器形成可靠密封的临界条件;基于接触力学推导出临界弹塑性接触压力均值的计算公式,并计算出219 mm连接器的临界值为370 MPa;应用ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language,APDL),对连接器的结构参数进行了灵敏度分析,确定了影响密封性能的5个关键结构参数。进而以主、次密封面上的接触压力方差为2个目标,以主、次密封面上的接触压力均值和最大塑性应变为约束变量,运用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)对连接器进行了优化设计,结果表明:接触压力方差显著减小,接触压力均值大于370 MPa,塑性应变较小。最后对优化前后的深海管道连接器进行了水压和拉伸试验,结果表明:优化之后的连接器承受水压能力大于设计极限压力18 MPa,承受轴向拉力大于7.0×10~5 N。该方法对于其他尺寸深海管道连接器的设计具有参考价值。     

采用验证试验法设计高压大口径管件

我国天然气管道工程用管件,特别是三通、弯头,在高压大口径的设计参数下,由于采用数学分析法计算的壁厚越来越厚,导致在目前的装备条件下管件制造工艺难以保证管件质量。为解决这一问题,根据管件标准的规定,应采用验证试验法,验证试验法不仅可以解决上述技术问题,还适用于各种设计参数下的管件计算,可以较大地降低管件壁厚和制造工艺的难度从而减少管件投资,论述了验证试验法不是简单强度爆破试验的理由,介绍了采用该方法应进行的主要工作,提出了相关建议。     

海底管道铺设技术研究进展

为解决深海油气资源开发众多技术难题,对国内外学者在海底管道铺设技术方面的研究进行了总结。在此基础上指出了今后的研究方向,如多种计算方法的综合运用、管道动力分析、管道屈曲传播和整个铺管过程的实时监测等。