温度应力下海底管线屈曲分析方法的改进.pdf

第38卷 第2期2005年2月天 津 大 学 学 报Journal of Tianjin Un iversityVol.38No.2Feb.2005温度应力下海底管线屈曲分析方法的改进3刘 润1,闫澍旺1,孙国民2(1.天津大学建筑工程学院,天津300072;2.海洋石油工程股份有限公司,天津300450)摘 要:海底管线在温度应力作用下的屈曲变形问题是管线设计的关键性问题之一.结合实际工程,探讨了管线屈曲变形的计算方法,分析了温差、地基土特性、管线埋深和膨胀弯设置等因素对管线屈曲变形的影响,并初步探讨了考虑初始缺陷管线的稳定性分析方法和工程对策.结果表明,管线中的应力随着温差的增加、地基土体摩阻力的增大及管线上覆土厚度的增长而增大,设置膨胀弯可以使其端部一定范围内的管线自由变形,从而释放由于温差和压差作用在管线内产生的附加应力.当管线有足够的埋深时,不发生竖向的屈曲变形.降低温度和增加埋深等措施能够有效防止管线屈曲.关键词:海底管线;屈曲;温差;地基土摩阻力;埋深;膨胀弯中图分类号:P756.2 文献标志码:A 文章编号:049322137(2005)0220124205I mprovement of the M ethod for Marine Pipeline UpheavalAnalysis under Thermal StressL I U Run1,YAN Shu2wang1,SUN Guo2min2(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.China Ocean Oil Engineering Company,Tianjin 300450,China)Abstract:More attentions have been paid to upheaval ofmarine pipelines caused by temperature stress.In as2sociation with the practical pipeline project,an approach for estimating the upheaval tendency has been estab2lished.The factors that may cause pipeline buckling,such as difference in temperature,properties of ground2sill,buried depth and expansion bend are discussed.Some available engineering countermeasures have beenrecommended for a pipeline design.Furthermore,the effect of imperfections is discussed and the theoretical so2lutions are illustrated by presenting a procedure.The results show that stresses in the pipeline riseswith the in2crease of temperature difference,friction between the pipeline and subsoil,and the buried depth.Expansionbend can help the end of the pipeline to extend freely and to relax the stress induced by thermal stress.The cal2culating results show that some measures are effective on preventing the pipeline from buckling,such as reduc2ing the temperature difference and increasing the buried depth,and the upheavalwill not take place if the bur2ied depth is large enough.Keywords:marine pipelines;upheaval;temperature difference;friction between the pipeline and subsoil;buried depth;expansion bend 随着海洋石油事业的发展,出现了越来越多在较高温度下工作的海底管线,海底管线在温度应力作用下的屈曲变形问题成为管线设计的关键性问题.对已有海底管线的调查表明16,这种屈曲变形确实存在,其危害不容忽视.随着海上石油工业的发展,管线的工作压力不断提高,其设计温度普遍达到或超过100,甚至可能达到150 的高温,在这样的设计条件下,几乎任何海底管线都面临着发生屈曲变形的考验2.3 收稿日期:2003210229;修回日期:2004203231.作者简介:刘 润(1974),女,副教授,.国外一些学者针对这一问题开展了一系列的研究工作.Hobbs2,7等人借鉴有关铁路轨道的研究方法,对不考虑初始缺陷的海底管线在温度应力作用下发生的屈曲变形进行了初步研究.Nielsen和Pedersen等人对埋设管线发生拱起破坏的过程进行了模型试验研究1,6,8,9.Cassell、Yun和Taloy等研究人员对具有初始缺陷管线在温度应力下的变形过程进行了模型试验和理论研究35,10.但对于具有初始缺陷管线的研究到目前为止没有得到圆满解答,尚无统一的标准指导设计.我国海底管线的设计与施工起步较晚,对这一问题的研究也未深入进行.根据国外的工程经验24,设计温差达到85 时,管线就可能发生屈曲变形乃至破坏.近来在渤海油田的海底管线设计中,管线的设计温差达到80 以上,因此温度应力下的屈曲变形问题成为管线设计的关键性问题.本文以实际工程为例,探讨管线屈曲变形的计算方法,分析管线的变形与温差、地基土特性、埋深、膨胀弯设置等因素的关系,并提出了相应的工程对策.1 无初始缺陷全埋式管线的分析方法 管线的屈曲变形包括2种情况2,即发生竖向拱起和水平向弯曲,对于全埋式管线只考虑其发生竖向拱起的情况.海底管线在温度和压力作用下发生屈曲变形,可类比于传统的压杆稳定问题,管线拱起形态及受力分析见图12.管线屈曲段的轴力为p=80.76EIL2(1)式中:E为杨氏模量;I为管线截面惯性矩;L为管线屈曲段长度.引起管线发生屈曲的轴力为p0=p+LEI1.59710-5EA L5-0.25(EI)212(2)图1 管线竖向屈曲段的受力分析Fig.1Force analysis of vertical upheaval式中:为单位长度管线的质量;A为管线的横截面积;为地基土与管线的摩擦系数.管线拱起的最大幅值为y=2.40810-5L4EI(3)管线中的最大弯矩为M=0.069 38L2(4)拱起段的最大斜率为y=8.65710-3L3EI(5)管线在温差和压差的作用下,由于受到地基土的摩阻力使管线无法自由变形,管线中的应力不能释放,因此造成管线中的某一段发生竖向拱起,与此同时与拱起段相邻的管段会发生相对错动,错动段长度为Ls=p0-p-0.5L(6)根据现有的资料和国内外相关研究成果39,在海底管线抗竖向屈曲的设计中,通过控制管线中产生的附加应力,使其小于允许应力,从而达到控制管线竖向屈曲稳定性的目的.管线屈曲而产生的弯矩使管线中产生的附加弯曲应力为 b=MD2I(7)式中:D为管线的外径;M为管线中的最大弯矩.根据管线同时承受轴向压力、环向压力和弯矩的联合作用,解方程可得到允许的最大附加弯曲应力为 a=(H-2A)(2A-H)2-4(2H+2A-AH-f2d2y)12/2(8)式中:H为环向应力,H=pDo2Wt;A为轴向应力,A=pAA;y为材料的屈服应力;fd为应力折减系数.当ba时,管线不会发生竖向屈曲破坏.根据以上分析计算方法,编制计算程序,对现有工程问题进行分析.2 工程算例及分析 渤海中某条管线外径323.9 mm,壁厚12.7 mm,规格API 5L X65,设计压力为4.65 MPa,设计温差为85.应用编制的计算软件对其进行屈曲分析.2.1 温差与屈曲形态的关系 图2为假设管线不埋时,计算管线屈曲变形段波长L与温差t变化的关系曲线.5212005年2月 刘 润等:温度应力下海底管线屈曲分析方法的改进图2 屈曲段长度随温差变化的曲线Fig.2Curves of upheaval lengthvstemperature difference 观察曲线的变化规律可知,这条曲线以“S”点为界分为A段和B段.当管线没有初始缺陷或初始缺陷较小时,管线的屈曲形态相当于压杆稳定问题中的第一类稳定问题,管线屈曲变形与温度的关系符合曲线A段的变化规律,即随着温差的增大,管线中发生屈曲的波长和屈曲的幅值不断减小,但管线中的应力随之增加;当管线具有较大的初始缺陷时,管线的屈曲形态相当于压杆稳定问题中的第二类稳定问题,管线屈曲变形与温度的关系符合曲线B段的变化规律,即随着温差的增加,管线发生大范围、高幅值的拱起变形乃至破坏;两种稳定问题的分界点“S”点被称为管线的安全温度,即当管线的设计温差小于S点对应的温度时,管线不会发生屈曲变形.2.2 地基土的摩阻力与屈曲形态的关系 在管线屈曲分析中,地基土的摩擦系数是一个至关重要的参数,图3给出了当地基土摩擦系数 850.753.9750.8850.703.7101.185重塑2.3701.885 分析管线的施工过程可知,从管线的安装到投入运营至少需要69个月时间,甚至更长.根据土力学中的固结理论,在69个月的时间中管线上覆软土的固结度可到达900?0以上,此时土的强度已大大恢复,可以取土体原位强度的750?0进行管线抗竖向屈曲的稳定性设计,此时管线的上覆土厚必须达到0.8 m以上,才能保证管线的稳定性.3.2 对初始缺陷的考虑 以上分析都假设管线没有初始缺陷,实际上海底管线在制造和铺设过程中会因为制造的缺陷或地基土体的原因而具有初始的变形,称为初始缺陷.当埋设的管线具有初始缺陷时,管线在运行期间会发生拱起蠕变1,即有缺陷的管线受到温度变化和内部压力变化时会逐渐隆起,并因此使缺陷程度增加,当增加到一定程度时,上覆荷重就不能满足管线抵抗屈曲的要求.对于具有初始缺陷的管线采用了如下的分析方法.(1)当有缺陷管段逐渐上升时,土中的剪应力逐渐得到发挥,从而提供上升阻力.达到峰值阻力所需的位移1 为d2=(0.02+0.008H/D)D(9)式中:H为管线的埋深,指由海底面到管线中心的距离;D为管线的外径.当管线的轴线达到海底表面时,抵抗管线进一步上升的阻力只有管线的浮重.(2)初始缺陷长度L0与相应拱起幅度A0的关系1为L0=(1 152EIA0/m0)14(10)式中,m0为管子的浮重.(3)结合前人的研究成果提出具有初始缺陷管线的平衡条件见图5.图5 初始缺陷管线的受力分析Fig.5Force analysis of in itial i mperfection 取拱起段的左边半部进行受力分析,管线受到均布压力q及由温度应力和内外压差引起的轴力p和附加弯矩M的共同作用,如管线的初始缺陷幅值为A0,根据式(9)计算得到管线的最大允许位移为d2,则管线应满足的平衡方程为p(A0+d2)=18qL20+M(11)(4)由平衡条件限定初始缺陷.根据以上计算步骤,对上述工程中的管线进行计算,由平衡条件得到的弯矩与缺陷幅值的对应关系见表2.表2 初始缺陷的形状Tab.2Shape of i n itial i mperfection缺陷幅值A0/m轴力引起的弯矩/(kNm)抗力的弯矩/(kNm)初始缺陷长度L0/m0.201 080.721 286.1251.360.251 330.721 437.9354.310.301 580.721 575.1756.840.402 080.721 818.8561.180.502 580.722 033.5464.59 由表2可知当缺陷幅值大于0.25 m时,弯矩不能满足要求,管线将发生不可恢复的蠕动变形,因此初始缺陷的幅值应控制在0.25 m以下.表2同时给出了缺陷幅值A0与初始缺陷长度L0的对应关系.7212005年2月 刘 润等:温度应力下海底管线屈曲分析方法的改进理论分析结果要求,当管线的初始缺陷长度在54.31 m范围内时幅值不大于0.25 m,这一要求对于海底管线的水下挖沟施工是很难做到的.由于海底管线的初始缺陷主要由沟底不平造成,而海底表面地基土主要由软黏土组成,其刚度远小于管线的刚度,因此管线能够克服由于沟底不平所产生的地基反力,使自身尽量保持平直,这就意味着在实际工程中挖沟的缺陷可以大于0.25 m.4 结 论(1)在温差和压差的作用下管线的屈曲变形可类比于压杆稳定,以安全温度“S”点为界分为两种类型的失稳问题.当管线没有初始缺陷或初始缺陷较小时表现为第一类稳定问题;当管线具有较大的初始缺陷时属于第二类稳定问题.(2)随着地基土摩阻力的增长和管线上覆土厚度的增大,管线发生竖向拱起的安全温度升高.(3)设置膨胀弯可以使膨胀弯附近一定范围内的管线自由变形,从而释放由于温差和压差作用在管线内产生的附加应力,避免管线发生拱起变形.(4)综合分析结果可知,保证一定的埋深是限制管线不发生竖向屈曲变形的有效措施,计算中所得到的管线初始缺陷控制值,可结合实际的地质情况适当放宽.参考文献:1Nielsen N J R,Pedersen P T,GrundyA K,et al.Designcriteria for upheaval creep of buried subsea pipelines J.Transactions of the ASM E Journal of offshore M echanics andA rctic Engineering,1990,290(112):110121.2 Hobbs R E.In2service buckling of heated pipelines J.Journal of Transportation Engineering,ASCE,1984,110(2):175189.3Yun H D,Kyriakides S.Model for beam2mode buckling ofburied pipelines J.Journal of Engineering M echanics,1985,111(2):235253.4Yun H D,Kyriakides S.Localized plastic buckling of aheavy neam on a contacting surfaceJ.Journal of PressureBessel Technology,1986,208(5):146150.5TaylorN,Gan A B.Submarine pipeline buckling2i mperfec2tion studiesJ.Thin2W alled Structures,1986,4(4):295323.6Terndrup P P.Equilibrium of offshore cables and pipelinesduring layingJ.Int Shipbuilding Progress,1975,22(12):399408.7Hobbs R E.The effect of soil modulus on pipeline stressJ.Journal of the Transportation Engineering D ivision,ASCE,1980,106(11):775786.8Terndrup P P,Juncher J J.Buckling behaviour of imperfectspherical shells subjected to different load conditions J.Thin W alled Structure,1995,23(14):4155.9Yen B C,Tsao C H,Hinkle R D.Soil2pipe interaction ofheated oil pipelines J.Journal of the Pipeline D ivision,ASCE,1981,107(1):114.10 Cassell A C,Hobbs R E.Numerical stability of dynamicrelaxation analysisof non2linear structuresJ.Internation2al Journal of Num ericalM ethods in Engineering,1976,10(6):1 4071 410.821天 津 大 学 学 报 第38卷 第2期