下载文档原格式
《海洋工程结构力学》国内外海底管道屈曲研究进展摘要：海底管道铺设过程中，往往在海底与铺管作业船之间的管道存在着相当长一段的悬跨段，悬跨段长度与水深有关。
在悬跨段经常可能因管子原始的或铺设过程中造成的局部凹陷或损伤而发生屈曲失稳现象。
这种屈曲一旦在管道局部形成，将容易因外部超静水压作用而沿着管道出现纵向屈曲迅速传播，造成危害性较大的传播型屈曲。
这将会严重阻碍管道的正常运行和造成较大的经济损失。
本文即简单评述了国内外海底管道屈曲研究进展情况。
关键词：管道铺设屈曲超静水压Advances on local & global buckling of subsea pipelinesAbstract：When the laying of submarine pipes, there often existence a long period of the suspension span between the seabed and pipe laying ship channel, which length have realated to the depth of water. In spanning the original tubes may often be due to the process or installation or damage caused by depression, while local buckling phenomena occur. Once this form of local buckling in the pipeline made, it will be vulnerable to the external role of super-hydrostatic pressure along the pipeline buckling of vertical spread rapidly, causing the spread of harmful larger type buckling. This will seriously impede the normal operation of pipeline and cause large economic losses. This paper briefly reviews the domestic and buckling of submarine pipelines progress.Key words：Pipe laying Buckling Super-hydrostatic pressure1国内外研究现状当前，海底管道铺设过程的受力性能和屈曲问题引起了广泛的关注，针对该类问题国内外相关学者进行了较为深入的研究。
关于海底管线屈曲剧变特性研究摘要：上世纪七十年代以来，管道在液、固、流态物质的运输渠道中得到越来越广泛的应用。
这是因为管道运输不受时间的限制，运输量大，运输安全性高，运输成本低廉。
海底管线是管道运输的一个重要组成部分，在海底进行运输方面同样发挥着不可替代的作用。
本文主要对海底管线经常出现屈曲剧变问题做出介绍，深入分析研究了屈曲剧变的特性，为完善海底管线提供了宝贵经验。
关键词：海底管线；屈曲剧变；特性分析目前，铺设海底管道线这项工程刚兴起几十年的时间，由于海底作业难度大，在铺设海底管道线时，时常发生一些技术故障，即使在海底管道线铺设完成后，铺设好的管道也会发生一些故障。
例如海底管线发生屈曲剧变等问题。
而此时对海底管道线的修建技术还处于发展阶段，这需要对这项技术不断地进行完善，以便使其更好地应对海底管道线出现的问题。
1.海底管线屈曲剧变1.1.海底管线屈曲剧变概念作为海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分，海底管线起着不可替代的作用。
但海底管线的屈曲剧变问题容易造成管线失效，使海底管线在发挥作用时受限。
管线屈曲的内容主要指管线在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。
这种弯曲给海底管线造成很大影响。
不仅对管线的安全运营造成威胁，而且还给海底管道运输业造成重大经济损失。
1.2.海底管线屈曲剧变的形态根据管线屈曲特点，可将管线的屈曲剧变可分成两类，一是水平向屈曲模式，二是竖直向屈曲模式。
竖直向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土体的约束，无法自由变形而产生的垂直向上隆起，常发生于全埋管线或半埋管线中。
水平向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土体的约束，无法自由变形而产生的水平方向的蛇形位移，常发生于半埋管线或不埋管线中。
从这两种屈曲形态定义中可以看出影响管线变形的一些因素，这为分析管线屈曲原因提供了参考。
海底管道铺设屈曲监测的使用方法评估2 天津北海油人力资源咨询服务有限公司，天津 300452；3 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；摘要：海底管道铺设过程中的屈曲监测是保证海管完整性的重要风险管控措施之一。
本文结合海上施工经验对海底管道铺设屈曲监测使用的方法进行评估与浅析，从适用性、经济性及风险等级等方面阐释了屈曲监控方法的选择，对项目的投标及实施阶段技术考量提供了借鉴意义。
关键词：海底管道铺设；屈曲监测；DNV1、概述海底管道铺设过程中受天气海况、设备状态及人员操作等因素的影响可能造成海管局部发生屈曲形变，湿式屈曲导致管内充水进而引发更严重的事故。
S形海管铺设的屈曲易发位置通常为托管架附近的上弯段及着泥点前的下弯段处。
海管屈曲监测的方法从设备控制到海管形态调查分为多种途径，业内普遍使用的最直观的方式为屈曲探测器监控。
但屈曲探测器常常受使用条件、效率经济、风险级别等因素的影响存在一定的局限性。
本文结合项目实践经验从屈曲探测器使用局限性的影响因素角度对海底管道铺设中的屈曲监测方法的选择进行比较与评估，从适用性、经济性及安全性的层面对技术方法选取的合理性予以佐证。
2、屈曲监测方法的选择与评估2.1 海底管道屈曲监测的一般方法世界上对于刚性海底管道铺设最常见使用的方法是S形铺设和J形铺设。
S形海管屈曲监测的方法通常有：1.张紧器张力监控；2.托管架角度监控；3.对船位沿路有走向的控制；4.使用屈曲探测器（通常放置在着泥点后24m）；5.使用ROV对着泥点进行监控，通过对着泥点海管外观监控及坐标与计算分析值的比对。
2.2 监测方法的选择对于铺管设备及船舶运动的控制是海管铺设屈曲控制手段的基本方式，通常需要结合更加直观的监控方法，如2.1章中关于S形海管铺设所述的4）和5）。
钢丝牵引式屈曲探测器在浅水海底管道铺设中作为屈曲监控手段而普遍应用，国内海上施工经验的应用水深达150米，此时连接屈曲探测器的钢丝达600米。
第23卷第2期 V ol.23 No.2 工 程 力 学 2006年 2 月 Feb. 2006 ENGINEERING MECHANICS173———————————————收稿日期：2004-03-26；修改日期：2004-05-27作者简介：*邢静忠(1966)，男，甘肃人，教授，博士，从事海洋石油工程力学研究(E-mail: hsingjzh@)； 柳春图(1935)，男，江苏人，研究员，博士生导师，从事固体力学、断裂和疲劳研究； 徐永君(1964)，男，河北人，博士，从事工程力学研究。
文章编号：1000-4750(2006)02-0173-04埋设悬跨海底管道的屈曲分析*邢静忠1,2，柳春图1，徐永君1(1. 中国科学院力学研究所, 北京 100080; 2. 兰州理工大学理学院, 兰州 730050)摘 要：考虑海床刚度，研究了埋设悬跨海底管道在热膨胀引起的轴向压力下的屈曲问题。
传统方法是将悬跨管道简化为两端简支或者两端固支梁来处理。
基于欧拉-伯努利梁理论，考虑线弹性海床刚度和轴向压力，建立并求解了埋设段管道和悬跨段管道在自重作用下的四阶常微分方程，获得了两段管道的静挠度和内力的解析公式。
通过对静挠度的特性分析，给出了埋设管道段和悬跨管道段的稳定性判断准则。
关键词：屈曲；海底管道；悬跨；弹性地基；热膨胀 中图分类号：O343 文献标识码：ABUCKLING ANALYSIS OF BURIED SPANNING SUBMARINE PIPELINE*XING Jing-zhong 1,2 , LIU Chun-tu 1 , XU Yong-jun 1(1. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. School of Science, Lanzhou University of Science, Lanzhou 730050, China)Abstract: This paper presents a buckling analysis of buried spanning submarine pipelines under axial compressive force caused by thermal expansion, in which the seabed stiffness is taken into account. Traditional methods treat each span segment as a simply-supported beam or clamped-clamped beam in practice. A new approach is developed based on Euler-Bernoulli beam theory, taking into account the linear elastic stiffness of seabed and temperature-driving axial force. A fourth order ordinary differential equation governing buried segment in elastic seabed and spanning segment under self-weight and axial compressive force is established and solved. The static deflection and internal force function of both segments are obtained in closed form. Stability criteria of buried segment and spanning segment are established through analyzing the characteristics of static deflection.Key words: buckling; submarine pipeline; spanning; elastic foundation; thermal expansion由于海床不平整，或者海流淘蚀，海底管道经常出现悬跨(Spanning)情况。
第23卷第2期 V ol.23 No.2 工 程 力 学 2006年 2 月 Feb. 2006 ENGINEERING MECHANICS173———————————————收稿日期：2004-03-26；修改日期：2004-05-27作者简介：*邢静忠(1966)，男，甘肃人，教授，博士，从事海洋石油工程力学研究(E-mail: hsingjzh@)； 柳春图(1935)，男，江苏人，研究员，博士生导师，从事固体力学、断裂和疲劳研究； 徐永君(1964)，男，河北人，博士，从事工程力学研究。
文章编号：1000-4750(2006)02-0173-04埋设悬跨海底管道的屈曲分析*邢静忠1,2，柳春图1，徐永君1(1. 中国科学院力学研究所, 北京 100080; 2. 兰州理工大学理学院, 兰州 730050)摘 要：考虑海床刚度，研究了埋设悬跨海底管道在热膨胀引起的轴向压力下的屈曲问题。
传统方法是将悬跨管道简化为两端简支或者两端固支梁来处理。
基于欧拉-伯努利梁理论，考虑线弹性海床刚度和轴向压力，建立并求解了埋设段管道和悬跨段管道在自重作用下的四阶常微分方程，获得了两段管道的静挠度和内力的解析公式。
通过对静挠度的特性分析，给出了埋设管道段和悬跨管道段的稳定性判断准则。
关键词：屈曲；海底管道；悬跨；弹性地基；热膨胀 中图分类号：O343 文献标识码：ABUCKLING ANALYSIS OF BURIED SPANNING SUBMARINE PIPELINE*XING Jing-zhong 1,2 , LIU Chun-tu 1 , XU Yong-jun 1(1. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. School of Science, Lanzhou University of Science, Lanzhou 730050, China)Abstract: This paper presents a buckling analysis of buried spanning submarine pipelines under axial compressive force caused by thermal expansion, in which the seabed stiffness is taken into account. Traditional methods treat each span segment as a simply-supported beam or clamped-clamped beam in practice. A new approach is developed based on Euler-Bernoulli beam theory, taking into account the linear elastic stiffness of seabed and temperature-driving axial force. A fourth order ordinary differential equation governing buried segment in elastic seabed and spanning segment under self-weight and axial compressive force is established and solved. The static deflection and internal force function of both segments are obtained in closed form. Stability criteria of buried segment and spanning segment are established through analyzing the characteristics of static deflection.Key words: buckling; submarine pipeline; spanning; elastic foundation; thermal expansion由于海床不平整，或者海流淘蚀，海底管道经常出现悬跨(Spanning)情况。
为此，针对海底管道的悬跨情况，DnV(Det Norske Veritas)专门制定了悬跨管道设计规范的推荐做法[1]。
围绕悬跨情况，国外开展过许多研究[2~6]，同时许多海底管道规范中也对悬跨情况作了相应的规定[7,8]。
考虑轴向拉力和轴向压力，利用纵横弯曲方程，文献[3]给出了几种梁模型边界条件下的解析解。
通过能量法给出了这些模型的固有频率，计算给出了轴向力对悬跨管道的最大允许长度的影响。
在设计中，最大允许悬跨长度是按照保证悬跨管道足够的静强度和不发生共振来确定的。
在管道安全评定时，需要对是否发生涡激振动进行判断。
如果发生涡激振动，则需要对疲劳寿命进行计174 工程力学算[9,10]。
热膨胀引起的轴向压力可引起埋设管道屈曲和埋设管道的上翘(upheaval)[11~14]。
文献[11]给出了上翘屈曲的管道模型实验的研究结果。
对于上翘屈曲的理论分析，考虑海床刚性情况，线弹性情况和非线性弹性情况，文献[12]给出各种理论分析结果与实验结果的比较和讨论。
对于裸露放置在海床上的海底管道在温度作用下屈曲，Croll(1998)利用模型实验研究和数值模拟进行过研究[13]。
还有研究者研究过火车轨道的屈曲问题[15]，地基梁屈曲问题[16]。
针对传统梁模型的几种边界条件，文献[1]建议使用有轴向力影响的悬跨管道的频率经验公式。
对于悬跨管道，热膨胀引起悬跨管道压缩和固有频率降低[3,17]，使管道在很低频率的外激励下发生共振。
对于有轴向力作用的埋设悬跨管道的频率计算和屈曲分析未见文献报道。
本文将悬跨管道的埋设段和悬跨段看作一个整体，考虑轴向压力和海床刚度，利用小变形梁理论建立两段管道的弯曲微分方程，在两段解答连接处使用连续性条件、跨中对称条件和无穷远位移边界条件，通过求解微分方程，获得挠度和内力的解析公式。
通过埋设段和悬跨段挠度公式的分析，给出埋设段和悬跨段在轴向压力下的屈曲判断准则。
1 计算模型两端无限长埋设在弹性海床中的直线管道，发生悬跨长度为2l的悬跨，在自重q作用下弯曲。
设管道抗弯刚度EI，拉压刚度EA，海床的支承线刚度bk。
温度升高引起的轴向压力S，热膨胀系数为α，考虑海床中管道对悬跨管道的作用，分析整个管道的变形和内力分布。
图1 温度荷载作用下埋设悬跨管道的静力分析模型Fig.1 Static analysis model of buried submarine spanningpipeline under thermal loading1.1 悬跨管道纵横弯曲在图1坐标系下，自重荷载q向下为正。
按照小挠度梁理论，悬跨段管道的弯曲微分方程为)0(,d)(d)(EI212414lxqxxydSxxyd<<=+ (1) 温度升高T∆后不能发生轴线伸缩的管道的轴向压力TEAS∆α=(2) 引入记号)/(,//,/)()(322111EIqlqEISlplxlxyY====ξξ(3) 其中轴力系数1p是表征轴力大小的无量纲参数，荷载系数0q是无量纲荷载。
将方程(1)简化为21221414d)(d)(qYdpYd=+ξξξξ(4) 求解得到无量纲挠度)10(),2/(sincos)(2124312111≤≤++++=ξξξξξξpqCCpCpCY(5)注意到悬跨管道的几何形式和荷载条件关于跨中左右对称，所以变形图、弯矩图左右对称，转角和剪力左右反对称。
解关于lx=，或者1=ξ是偶函数。
将挠度解答(5)变换为)10(,)2/()1()1())1(sin())1(cos()(2124312111≤≤−++−+−+−=ξξξξξξpqCCpCpCY(6) 要保证它关于1=ξ是偶函数，奇函数项的系数必须等于0。
即,032==CC(7) 故解答(6)简化为)10(),2/()1())1(cos()(2124111≤≤−++−=ξξξξpqCpCY(8)对其求导得转角、无量纲弯矩)(0ξM和无量纲剪力)(0ξQ。
无量纲量和有量纲量的关系是2/)/()(/)/()(lEIlxQxQlEIlxMxM== (9) 1.2 弹性海床中埋设管道的纵横弯曲在图1坐标系下，由弹性地基梁理论[18]，埋设段管道的弯曲微分方程为)0()(d)(d)(2222424≤<−∞=++xqxykxxydSxxydEI b (10) 引入记号)/()/()/(2//)()(3422222EIqlqEIlkEISlplxlxyYb=====λξξ(11)工 程 力 学 175其中2p 和0λ是表征轴向力和海床刚度的无量纲参数。
将方程(11)化简为)0()(d )(2d )(022********≤<−∞=++ξζλξξξξq Y Y d p Y d (12) 方程(12)有三种可能的解答，下面分别讨论(1) 埋设段管道失稳前当埋设段管道中轴力较小，02λ<p 时，埋设段管道尚未失稳，管道在无穷远处的变形衰减为0。
其挠度解答中只保留负指数项，即)0(,)cos()exp()sin()exp(/)(2162152002≤<−∞++=ξξξξξλξr r C r r C q Y (13)其中2/)(,2/)(202201p r p r +=−=λλ (14)(2) 埋设段处于临界失稳状态当埋设段管道的轴向力达到20p =λ，埋设段管道进入临界失稳状态。
其挠度解答是)0()cos()sin(/)(26252002≤<−∞++=ξξξλξr C r C q Y (15)其中r 2同上。
(3) 埋设段管道过屈曲当埋设段管道的轴向力超过临界失稳荷载，使20p <λ，则管道进入过屈曲状态。
挠度解答为)0(),sin()cos()sin()cos(/)(282716152002≤<−∞++++=ξξξξξλξr C r C r C r C q Y (16)其中202222202221,λλ−−=−+=p p r p p r1.3 埋设管道的失稳前的变形曲线取弹性海床中埋设管道的失稳前的挠度解答式(14)，x =0位置的连续性条件)0()0(),0()0()0()0(),0()0(12121212Y Y Y Y Y Y Y Y ′′′=′′′′′=′′′=′= (17) 将埋设管道的挠度解答(13)和悬跨段管道的挠度解答(8)代入到上面条件(17)，可以得到确定积分常数6541,,,C C C C 的线性方程组。
