深海油氣管道鋪設的非線性屈曲及失穩機理研究

《深海油氣管道鋪設的非線性屈曲及失穩機理研究》是依託浙江大學，由龔順風擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深海油氣管道鋪設的非線性屈曲及失穩機理研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：龔順風
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

能源安全關係到國家的經濟命脈，深海油氣資源開發是緩解該問題的有效途徑。我國現有的設計水平、設備狀況和施工作業能力均不能滿足自主開發南海深水油氣資源的戰略目標。本項目以深海油氣管道鋪設過程的受力特性為研究對象，對鋼質管道的非線性屈曲及失穩機理進行基礎科學研究。具體內容包括：基於非線性環理論和彈塑性材料本構關係，根據虛功原理建立壁厚鋼質管道的屈曲分析基本理論，開發相應的計算分析軟體；利用自主研製完成的可模擬5000m水深的壓力缸試驗裝置，開展不同初始缺陷、不同徑厚比和材料性能鋼管試件的屈曲比例模型試驗，為理論分析和數值模擬提供驗證數據；以屈曲理論分析為主，數值模擬為輔，研究不同荷載組合作用管道的屈曲模式、失穩機理和極限承載能力，建立基於應變的深海油氣管道設計方法。本項目旨在管道的設計理論和方法上有所突破和創新，對提升我國深海油氣管道的設計製作能力，以及確保鋪設施工期間的安全性，具有重要的意義。

結題摘要

海底管道屈曲及失穩是深海油氣管道鋪設的關鍵科學問題。油氣管道在深海鋪設過程中不僅受到巨大的軸向拉力，同時也受到彎曲和外部靜水壓力的作用。由於複雜的受力特性，以及管道截面初始幾何缺陷、材料非線性和載入路徑將使管道的受力性能更為複雜。這在客觀上要求深入了解其力學行為，識別管道在複雜受力狀態下的屈曲失穩機理。本項目提出了基於非線性環理論的應變-位移關係和材料的彈塑性本構模型，根據虛功原理建立管道截面的靜平衡狀態微分方程，套用Newton-Raphson法進行位移增量的數值疊代求解，以此建立複雜荷載組合作用鋼質管道的非線性屈曲失穩分析方法，並開發了相應的計算分析軟體。在此基礎上，利用自主研製完成的可模擬5000m水深的壓力缸試驗裝置，開展了不同初始幾何缺陷鋼管試件的屈曲比例模型試驗，探究管道屈曲失穩的力學行為。以屈曲理論分析為主，數值模擬為輔，基於深海油氣管道鋪設過程的受力特性，廣泛開展了不同荷載組合作用管道的屈曲失穩分析，以全新的視角系統地闡述了載入路徑、管道直徑和徑厚比、截面初始橢圓率和壁厚不均勻度、材料屈服應力和應變硬化模量等對管道屈曲失穩的影響。研究成果有助於從宏細觀兩個尺度加深對厚壁管道屈曲失穩行為的認識，從而可為深海油氣管道的承載能力分析和設計提供重要的科學理論依據。目前已在國際期刊上發表SCI論文5篇，EI論文2篇，國際會議論文2篇，授權軟體著作權1項。