CN106934160B - 海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法 - Google Patents

海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法，包括确定上限临界管长和确定管道建模长度两个步骤，本发明通过分析各铺设模态管道的上限临界管长计算公式，给出了海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法；使用该方法所确定的模型长度建模进行管道整体屈曲分析，在能准确的模拟管道整体屈曲的结果的同时大大减少计算成本；该方法所涉及的步骤简明，计算简单，能快速高效的实现管道模型长度。

Description

海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法
技术领域
本发明涉及一种海底管道整体屈曲数值模拟中模型长度的确定方法，特别涉及一种基于上限临界管长的海底管道整体屈曲数值模拟中模型长度的确定方法。
背景技术
海底管道被广泛应用于海上油气资源开发中，主要起着储运介质的作用。为满足工艺要求，介质必须在高温高压下运输。管道在温压联合作用下容易发生类似于压杆稳定的整体屈曲变形，造成油气泄漏，引起经济损失及安全事故。因此，海底管道整体屈曲问题是海底管道安全运营相关研究的重要问题，国内外学者开展了大量海底管道整体屈曲的相关研究。
鉴于海底管道沿轴线方向的尺度远大于其截面尺度的形态特征，开展海底管道在温压联合作用下的全尺寸室内试验和现场试验均有较大的难度，因此，基于PIPLIN-III，PlusOne，UPBUCK，ABAQUS等有限元软件的有限元分析方法成为研究海底管道整体屈曲的重要手段，尤其是大型商业软件ABAQUS得到广泛应用，并获得了大量有价值的计算结果。
大量关于海底管道整体屈曲的有限元研究成果表明，数值模拟方法对海管屈曲的理论研究及指导工程实践都有重要意义。而准确合理的建模是有限元方法可靠的先决条件，在采用有限元方法分析海底管道整体屈曲时，所建模型的参数对整体屈曲分析结果影响显著，在各相关参数对海底管道整体屈曲的影响规律的研究中，关于海管模型长度对于整体屈曲的影响的研究较少，更没有明确的提出一种管道模型长度的确定方法。海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定主要受两方面因素影响：一方面需尽量模拟管道的实际情况，即采用真实的管道长度；另一方面，由于有限元软件本身限制，模型长度过大可能导致计算不收敛，且应考虑有限元的计算成本及效率等因素，模型长度应尽量取小值。在运用有限元方法研究海底管道整体屈曲时，基于以上两点因素，应该在保证模拟能准确反应管道实际整体屈曲结果的前提下尽量选取更短的模型长度。
因此，本发明提出了一种基于上限临界管长的海底管道整体屈曲数值模拟中模型长度的确定方法。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法:
1、确定“上限临界管长Ltm”：
(1)对于两端自由、初始缺陷左右管长对称的管道，如图1所示，其“上限临界管长”公式为：
Ltm＝4Lc (1)
(2)对于两端固定、初始缺陷左右管长对称的管道，如图2所示，其“上限临界管长”公式为：
Ltm＝2Lc (2)
(3)对于两端自由、初始缺陷左右管长不对称的管道，如图3所示，由于ac段与bc段具有管长的差距，分别对左右管段属性进行判断，其“上限临界管长”公式分别为：
ac段：Ltm＝2Lc
bc段：Ltm＝2Lc (3)
实际工程中管道边界条件及对称情况可能是以上某种情况，或多种情况的组合，但管道因发生整体屈曲而进行轴力释放的原理是相通的，所以上限临界管长的计算公式推导原理依然适用。因此，上限临界管长的统一表达式为：
Ltm＝nLc (4)
由上式知，上限临界管长由n和Lc两部分确定，其中n由管道边界条件、对称情况等因素决定；Lc可由经典热力学表达式获得，Lc主要由管道运行温差，管道与地基的摩擦力以及单位长度管重三个因素确定。
Figure BDA0001245430160000031
p0等于管道在设计温度下的轴向压力；单位为N；
φA为管土间轴向摩擦系数；
q为有效管重，单位为N/m；
A为管道截面面积，单位为m2；
E为杨氏模量，单位为Pa；
α为材料的线膨胀系数，单位为A/℃；
T为等效温差，单位为℃。
2、确定管道建模长度：
比较研究对象实际管长L与根据以上公式计算出将要研究对象的上限临界管长Ltm的大小，根据判断结果，管道模型长度的确定分为以下两种情况：
A、L≥Ltm，则取管道模型长度Lm等于或略大于Ltm；
B、L＜Ltm，则取管道模型长度Lm等于研究对象实际管长L。
综上所述，按本发明方法确定整体屈曲模拟中管道模型长度时，首先分析所研究管道的铺设模态，带入已知参数，求出模型上限临界管长Ltm；然后通过判断所研究管道实际长度L与Ltm大小关系，确定管道建模长度Lm的大小。具体流程如图4所示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过分析各铺设模态管道的上限临界管长计算公式，给出了海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法；使用该方法所确定的模型长度建模进行管道整体屈曲分析，在能准确的模拟管道整体屈曲的结果的同时大大减少计算成本；该方法所涉及的步骤简明，计算简单，能快速高效的实现管道模型长度。
附图说明
图1为两端自由、初始缺陷左右管长对称的管道模型。
图2为两端固定约束、初始缺陷左右管长对称的管道模型。
图3为两端自由、初始缺陷左右管长不对称的管道模型。
图4为整体屈曲数值模拟中管道长度确定流程。
图5为实施例1中两端自由、初始缺陷左右管长对称的管道模型。
图6为实施例1中整体屈曲段管道水平位移。
图7为实施例1和对比例1中不同管长模型的水平位移。
图8为实施例2中两端自由、初始缺陷左右管长对称的管道模型。
图9为实施例2中整体屈曲段管道水平位移。
图10为实施例2和对比例2中不同管长模型的水平位移。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
以下实施例中的整体屈曲模拟，采用基于ABAQUS软件的3D-Explicit方法。管道采用梁单元，单元类型为PIPE31H，地基土体采用实体单元，单元类型为C3D8R；管道的力学行为为线弹性，材料属性包括管道密度、杨氏弹性模量、泊松比与膨胀系数；土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，材料属性包括土体容重、弹性模量、泊松比、粘聚力与内摩擦角，不考虑土体的剪胀性；在土体的四周约束其水平方向自由度，底部约束其全方向自由度，管道的两端为自由约束。管道初始缺陷模态由公式(1)确定，通过CAD建模引入，具体建模步骤可以参见专利CN103714207A。
实施例1：
管道的基本参数如表1所示，当考虑管道内容物重量时，计算得管道单位长度的有效重量为1233.74N/m。设计等效温差为93℃，模型具体参数见表2。
表1管道结构参数
Figure BDA0001245430160000061
表2管道及地基土参数
Figure BDA0001245430160000062
管道的铺设模态如图5所示。
管道整体屈曲数值模拟中管道模型长度通过以下两步骤确定：
(1)通过分析管道铺设模态及边界条件得知，模型上限临界管长应由式(1)确定，即Ltm＝4Lc，将模型参数带入式(5)，得Lc＝3029.8m，Ltm＝12.1192km。
(2)比较研究对象管长与上限临界管长的大小，实际管长16km，大于上限临界管长，所以取管道计算长度等于或略大于Ltm，在此取管道模型长度Lm＝12.2km。
按Lm＝12.2km建模进行管道整体屈曲数值模拟，以图5所示管道中初始缺陷中点为X轴原点，以v表示管道水平位移幅值，给出管道发生整体屈曲时水平位移沿管道的分布，如图6所示。
对比例1：
为了验证实例1中管道模型长度选择12.2km的合理性，按照管道模型实际长度16km建模作为对比例进行整体屈曲模拟，分别提取两模型的整体屈曲结果，如图7所示。图7显示，12.2km管长模型与16km管长模型的水平位移曲线完全重合，说明在上限临界管长至实际管长范围内，管线整体屈曲结果不随管线建模长度的变化而变化，因此，按照管道模型长度Lm＝12.2km建模对实际管长16km的该管道进行整体屈数值模拟能准确的反应整体屈曲变形结果，同时可以达到减少模型计算成本的作用。
实施例2：
实例2除管长之外的所有参数与实例1相同，管道的铺设模态如图8所示。
管道整体屈曲数值模拟中管道模型长度通过以下两步骤确定：
(1)通过分析管道铺设模态及边界条件得知，模型上限临界管长应由式(1)确定，即Ltm＝4Lc，将模型参数带入式(5)，得Lc＝3029.8m，Ltm＝12.1192km。
(2)比较研究对象管长与上限临界管长的大小，实际管长10km，小于上限临界管长，所以取管道计算长度等于实际管长，即Lm＝10km。
按Lm＝10km建模进行管道整体屈曲数值模拟，以初始缺陷中点为X轴原点，以v表示管道水平位移幅值，给出管道发生整体屈曲时水平位移沿管道的分布，如图9所示：
对比例2：
为了验证实例2中管道模型长度选择10km的合理性，分别选取管长Lm＝8km及Lm＝6km建模作为对比例进行整体屈曲模拟，提取各模型的整体屈曲结果，如图10所示：
分析图10得知，Lm＝6km、Lm＝8km及Lm＝10km的管道整体屈曲幅值依次增大，说明在管线长度小于上限临界管长的范围内，数值分析中管道模型长度对整体屈曲结果影响显著。管道发生整体屈曲时，其屈曲幅值随模型长度的增大而增大，按照管道实际长度建模才能准确的模拟管道整体屈曲结果，所以实例2中管道模型长度的选择合理。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.海底管道整体屈曲数值模拟中管道长度的确定方法，其特征在于，按照下列步骤进行：
步骤一、确定上限临界管长Ltm：
(1)对于两端自由、初始缺陷左右管长对称的管道，其上限临界管长公式为：
Ltm＝4Lc
(2)对于两端固定、初始缺陷左右管长对称的管道，其上限临界管长公式为：
Ltm＝2Lc
(3)对于两端自由、初始缺陷左右管长不对称的管道，由于左段与右段具有管长的差距，其上限临界管长公式分别为：
左段：Ltm＝2Lc
右段：Ltm＝2Lc
在上述(1)、(2)(3)式中，
Figure FDA0002327091040000011
其中，p0等于管道在设计温度下的轴向压力；单位为N；
Figure FDA0002327091040000012
为管土间轴向摩擦系数；q为有效管重，单位为N/m；A为管道截面面积，单位为m2；E为杨氏模量，单位为Pa；α为材料的线膨胀系数，单位为A/℃；T为等效温差，单位为℃；
步骤二、确定管道建模长度：
比较研究对象实际管长L与根据以上公式计算出将要研究对象的上限临界管长Ltm的大小：当L≥Ltm时，则取管道模型长度Lm等于或略大于Ltm；当L＜Ltm时，则取管道模型长度Lm等于研究对象实际管长L。
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