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含初始缺陷管中管侧向屈曲过程中的动态效应研究

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第52卷 第4期 2019年4月 天津大学学报(自然科学与工程技术版) Journal of Tianjin University(Science and Technology) Vol. 52 No. 4

Apr. 2019

收稿日期：2018-05-20；修回日期：2018-09-10. 作者简介：张泽超（1988— ），男，博士研究生，zhanghuifine@126.com. 通信作者：刘红波，hb_liu2008@163.com. 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB046801). Supported by the National Basic Research Program of China(No.2014CB046801).

DOI:10.11784/tdxbz201805041 含初始缺陷管中管侧向屈曲过程中的动态效应研究 张泽超1，陈志华1, 2，刘红波1, 2，王 哲1，刘凯月1 (1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

摘 要：随着海洋油气开采深度的逐渐增加，深海石油管道在高温高压运输过程中会存在整体热屈曲现象，而热屈曲的过程中可能会存在动力效应．管中管广泛应用于深海油气输送结构，但是相关整体屈曲试验及动力效应研究很少．本文以初始缺陷波长及幅值作为变参数，对含有初始缺陷的双层管道的试验方法进行了详细介绍，并通过3组试验，对整体热屈曲试验过程中产生的动力效应现象及原因进行了分析，发现初始缺陷波长对整体屈曲过程中的动态效应起到关键作用．基于此，采用ABAQUS隐士动力分析方法建立了双层管道整体屈曲有限元分析模型，并与试验结果进行了对比，验证了模型的准确性．进而分析了管道直径大小、初始缺陷长度以及管土作用对管道屈曲过程中动态效应的产生及影响变化规律，发现了各个因素与管道中点屈曲临界力、侧向弹出速度、侧向位移以及整体动能之间的关系，通过对比分析，找到了径厚比最佳临界点以及缺陷波长与管道长度比值的临界控制点，发现管土作用对整体屈曲动态效应有显著影响，并对产生机理进行了分析，研究成果对深海油气输送双层管道结构的设计及铺设有一定的指导意义． 关键词：海底管道；初始缺陷；整体侧向屈曲；管中管；动态效应 中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2019)04-0404-09

Study of Dynamic Effect on Lateral Buckling of Pipe-in-Pipe System with Initial Imperfections

Zhang Zechao1，Chen Zhihua1, 2，Liu Hongbo1, 2，Wang Zhe1，Liu Kaiyue1 (1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：With the gradual increase of offshore oil and gas exploitation depth，there will be global thermal buckling in deep sea oil pipelines during high temperature and high pressure transportation，and there may be dynamic effects in the process of thermal buckling of the pipe-in-pipe(PIP)system. PIP systems are widely used in deep-sea oil and gas transmission structures，but the related experiments and dynamic effects on global buckling are seldom studied.Taking the initial imperfection wavelength and amplitude as variable parameters，this paper introduces the experi-mental method of PIP system with initial imperfection in detail. Through three groups of experiments，the phenomena and cause of dynamic effect in the global thermal buckling experiments are analyzed，and the dynamic effect of initial imperfection wavelength which play a key role on the global buckling process is found. Based on this，the ABAQUS hermit dynamic analysis method is used to establish the finite element analysis models of the global buckling of PIP system，and the accuracy of the models are verified by comparing with the experimental results. Then the influence ofpipe diameter，initial imperfection and pipe-soil interaction on the dynamic effect ofpipeline buckling is analyzed. The relationships between each factor and critical buckling force，lateral ejection velocity，lateral displacement and overall kinetic energy of pipeline are found. Through comparative analysis，the critical point of the ratio of diameter to thickness and the critical point of the ratio of imperfection wavelength to pipe length are found. And the result of the 2019年4月 张泽超等：含初始缺陷管中管侧向屈曲过程中的动态效应研究 ·405· pipe-soil interaction has a significant influence on the global buckling dynamic effect and the mechanism is analyzed.At last，the research results have a certain guiding significance for the design and laying of deep-sea oil and gas transmission PIP system. Keywords：subsea pipeline；initial imperfection；lateral global buckling；pipe-in-pipe(PIP)system；dynamic ef-fect

高温高压下管道经常发生整体屈曲，当初始缺陷较小的时候，在管道发生整体屈曲之前通常发生瞬间的大变形，产生较大的应变，当能量释放后结构达到再次平衡，继而达到整体屈曲． 目前，针对管动力效应方面的研究主要集中于单层管道方面，刘润等[1]发现在一定温度下管线的整体

屈曲会由第1种平衡状态跳跃到第2种平衡状态；施若苇[2]对比了管土作用及初始缺陷大小对管道动力

响应的影响；王立忠等[3]得到管道在跳跃失稳发生时的动力响应；车小玉等[4]分析了在静力及动力阻尼条

件下管道屈曲临界力的不同；Wang等[5]对单层管道

整体屈曲动态效应进行了系统的研究；Erkmen等[6]

建立了多尺度单层管道模型，得到了管道发生动态效应时的椭圆化现象；Lopes等[7]研究了在柔性管下运

输带有谐振波的水流对管道的动力效应． 在深海油气开采领域中，为了适应深海高温高压工作条件，同时满足管道保温要求，PIP管道系统得到了广泛的应用．PIP系统由两根同心管道组装而成，在内外管道之间采用对中环支撑，确保内外管道相对位置固定，内外管形成的环形空间内填充不具备结构性能的保温材料．PIP系统的优势在于可以满足苛刻的绝热要求，当内管发生破裂时，外管可以成为系统的第2道防线，提高管道整体安全系数． 但是，目前针对管中管的动力效应研究极少见，对管中管的研究目前主要针对带初始缺陷管道水平屈曲及主动控制方面．Vaz等[8]基于单根梁微分控制

方程，建立了非协调型管中管系统水平整体屈曲的微分控制方程，分析结果表明，管中管系统的整体屈曲形态与内外管的刚度、对中器的间距有很大关系；赵天奉[9]针对两处管中管系统实际工程，利用有限元技

术分析了协调型和非协调型管中管的水平以及垂向整体屈曲性能，对于协调型(文中称为柔性连接管道)管中管系统，多发生由内管屈曲引发的整体屈曲，若对中器间距过大，则内管发生的低阶限制性屈曲将向高阶模态跃迁，从而危害管道安全；Goplen等[10]指

出，分析和应用多层管道的重点就在于将其作为一个系统而不是作为相连的两个管道． 深海管中管在运营过程中，由于受到包括输送高压、深海压强、石油高温等各种极端荷载的作用，会

存在管道整体热屈曲现象，而管道的整体屈曲发生过程中可能会伴随着动力效应的产生．管中管结构的内外管轴向力的合力代表了管中管系统的稳定性. 随着内管温度逐渐增加，内管压力逐渐增大，而外管则承受拉力且随着温度增加拉力逐渐增加．内外管合力随着温度增加逐渐增加，达到极限屈曲轴力后便不再增加，说明结构发生屈曲，屈曲时的温度与初始温度之差称为管道发生屈曲的临界温差．基于有初始缺陷的管中管在整体热屈曲试验过程中产生的动力效应现象，本文分析了管道径厚比、初始缺陷长度以及管土作用对管道屈曲过程中动态效应的产生机理及作用变化规律，发现了各个因素与管道中点屈曲

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非埋设海底管道弧线段侧向屈曲的处理方法

非埋设海底管道弧线段侧向屈曲的处理方法

2991 概述侧向屈曲作为海底管道失效的主要原因，是管道投产后在高温高压作用下承受较大的轴向载荷进而发生侧向的屈曲形变。

中东油田区域海底土壤多为碳酸岩、钙质砂成分，挖沟回填成本较高，海底管道的铺设通常采用非埋设形式。

对于裸置海管，控制侧向屈曲的方法是允许管道在预先设计位置发生可承受范围内的屈曲，主要方法包括蛇形铺设法、枕木法、分布浮力法等。

NFA项目使用S型铺管船法铺设一条2.5km的20” CRA水泥配重气管线，施工水深54m，海管路由曲率半径1016m，弧线段长度1.4km。

2 弧线段侧向屈曲处理方法2.1 海管信息海底管道相关参数如下所示：Zone1 海管外径508mm，壁厚25.4mm，3mm Inconel 625内衬；Zone2 海管外径514.4mm，壁厚28.6mm，3mm Inconel 625内衬；海管材质等级 API 5L PSL2 X-65；管外涂层 30mm 5LPP + 40mm水泥涂层；海管在运输酸性介质下运行，设计压力34.6Mpa，设计温度101.1℃。

2.2 侧向屈曲的分析NFA项目中依据管材信息及相关公式，参照DNV规范得出管道设计的拉伸应变、疲劳损坏等关键参数的允许范围。

通过VAS有限元分析等方法对生产条件下的管道的侧屈位移及机械应变进行评估，最大拉伸应变超过允许值，管道需要采取相应的侧屈处理办法。

图1 侧向位移及应变曲线2.3 处理方法的选择与优化蛇形铺设法适用于长距离海底管道的侧向屈曲控制，案例中2.5km长度明显不适用。

枕木法及分布浮力法本质上都是通过减小侧向屈曲发生位置管土间的侧向土抗力，使管道发生合理区间的位移，轴向载荷得到释放。

枕木法是在侧屈激发位置安装一个支撑结构，将海管铺垂直铺过支撑上的设计位置，从而减小该段管道的管土间摩擦力。

这种方法需要同时保证枕木的安装精度及海管铺设精度，并且对于支撑结构的强度、稳性、尺寸需要专业的设计校核，将产生对安装枕木的船舶资源、工作量的额外投入。

钻井用连续管的屈曲分析

钻井用连续管的屈曲分析

钻井用连续管的屈曲分析张辛1, 徐兴平1, 王龙庭2，王雷1（1.中国石油大学（华东）机电学院，山东东营，207061；2. 胜利油田高原石油装备有限责任公司研发中心）摘要：连续管弯曲可能会出现在任何井段。

但是，在不同的井段开始形成弯曲的临界压缩载荷不同。

本文在总结国内外学者研究的基础上，以垂直井段为例，对已有公式的适用条件进行了探讨。

采用能量守恒原理，对垂直井段的连续管进行临界屈曲载荷分析，得到连续管的临界屈曲载荷。

利用拉格朗日乘子方法分别对管柱处于不同屈曲形式下进行管柱与套管壁的接触载荷计算。

并对管柱的屈曲行为进行了ABAQUS计算机模拟分析。

关键词：连续管屈曲分析计算模型计算机模拟Buckling Analysis of Drilling Coiled TubingZhang Xin1, Xu Xingping1, Wang Longting2, Wang Lei1(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong, 257061, China; 2. Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co., Ltd. R&Dcenter)Abstract:The bend of coiled tubing may appear in any hole section. However, the critical compressive load is different in different interval when the bend is generated. On the base of the research of domestic and foreign scholars, applicable conditions to the existed formulas are researched in this paper with the example of vertical interval. Using energy method, equations are derived to predict the axial compression force required to produce buckling in vertical wells. Utilizing the Lagrange multiplier method, the unit lateral contact force corresponding to straight, sinusoidal, and helical configurations between CT and casing are obtained in vertical, inclined, and curved wells, respectively. The buckling of CT is also discussed on the basis of ABAQUS computer simulations.Keywords: Coiled tubing Buckling analysis Computation model Computer simulation前言在连续管下入过程中，由于管柱本身重力的影响和管柱与井壁摩擦的影响，使得管柱在受压时由初始的近似直线状态变为曲线状态，这就是管柱的屈曲。

压力管道应力动态分析理论

压力管道应力动态分析理论


2.系统(内力和约束荷载)有足够时间抵消外荷载
2.系统(内力和约束荷载)没有足够的时间在外荷载变化前 抵抗荷载
3.系统总是处于平衡状态(系统力和力矩总和为零)
3.系统处于非平衡状态(系统力和力矩总和不为零)
4.没有不平衡力，系统保持静止 5.产生的系统反力(内力和约束荷载)等于外荷载
4.由于不平衡力，根据F=MA系统将会产生运动
2.系统(内力和约束荷载)没有足够的时间在外荷载变化前 抵抗荷载
3.系统总是处于平衡状态(系统力和力矩总和为零)
FORCE
FORCE
AECsoft
ΣF = 0 ΣM = 0
2019/7/24
静载荷与动载荷的区别
静载荷
1. 载荷随时间变化很慢或者不变（重力、热胀、基础沉 降、弹簧载荷等）
动载荷
1.荷载随时间迅速变化(地震，水锤、汽锤力，振动，安 全阀泄放反力等等)
通过DLF与激励载荷，可以得到某个周期（频率）下 系统的动态响应。
AECsoft
2019/7/24
系统响应
DLF是阻尼、外加载荷频率、系统固有频率的函数， 公式由下式表达：
DLF
1 (2Cc f / n )2 [1 ( f / n )2 ]2 (2Cc f / n )2
AECsoft
2019/7/24
动载荷
静载荷
1. 载荷随时间变化很慢或者不变（重力、热胀、基础沉 降、弹簧载荷等）
动载荷
1.荷载随时间迅速变化(地震，水锤、汽锤力，振动，安 全阀泄放反力等等)
AECsoft
2019/7/24
载荷变化曲线
根据载荷随时间变化形式的不同，可以区分几种基 本的载荷变化曲线，它们分别是：
关于屈曲分析

关于屈曲分析

关于屈曲分析屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，屈曲分析包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。

线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析；线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲(Snap-through)分析。

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,屈曲分析包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。

线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析；线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲(Snap-through)分析。

欧拉屈曲 buckling结构丧失稳定性称作（结构）屈曲或欧拉屈曲。

L.Euler从一端固支另一端自由的受压理想柱出发．给出了压杆的临界载荷。

所谓理想柱，是指起初完全平直而且承受中心压力的受压杆。

设此柱是完全弹性的，且应力不超过比例极限，若轴向外载荷P 小于它的临界值，此杆将保持直的状态而只承受轴向压缩。

如果一个扰动(如—横向力)作用于杆，使其有一小的挠曲，在这一扰动除去后。

挠度就消失，杆又恢复到平衡状态，此时杆的直的形式的弹性平衡是稳定的。

若轴向外载荷P大于它的临界值，柱的直的平衡状态变为不稳定，即任意扰动产生的挠曲在扰动除去后不仅不消失，而且还将继续扩大，直至达到远离直立状态的新的平衡位置为止，或者弯折。

此时，称此压杆失稳或屈曲(欧拉屈曲)。

线性屈曲：是以小位移小应变的线弹性理论为基础的，分析中不考虑结构在受载变形过程中结构构形的变化，也就是在外力施加的各个阶段，总是在结构初始构形上建立平衡方程。

当载荷达到某一临界值时，结构构形将突然跳到另一个随遇的平衡状态，称之为屈曲。

临界点之前称为前屈曲,临界点之后称为后屈曲。

ABAQUS非线性屈曲分析的方法有riks法，general statics法（加阻尼），或者动力法。