劉 潤，洪兆徽，劉文彬

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點試驗室，天津 300072)

海底管線水平向整體屈曲及失效判斷方法研究

劉 潤，洪兆徽，劉文彬

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點試驗室，天津 300072)

海底管線是海洋石油的重要輸運手段。為滿足輸送工藝的需要，正常工作條件下管線往往被施加較高的溫度和壓強，高溫高壓使管線內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，當附加應(yīng)力大于土體對管線的約束力時，管線就會發(fā)生整體屈曲。過度的水平向整體屈曲會導(dǎo)致截面產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和壓縮應(yīng)變，對管線系統(tǒng)的安全運行造成威脅，因此需要對發(fā)生水平向整體屈曲后的管線進行驗算。采用解析解法、規(guī)范法和有限元法對管線的整體屈曲進行分析，提出了應(yīng)用臨界屈曲荷載值域空間和值域下限來判斷不同缺陷大小下管線是否發(fā)生水平向整體屈曲的方法。結(jié)合工程實例，分別采用內(nèi)力控制標準和位移控制標準對管線水平向整體屈曲后是否失效進行了驗算。研究指出，相較于位移標準，內(nèi)力控制標準更為嚴格。

海底管線；水平向整體屈曲；臨界屈曲判斷；屈曲失效判斷

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對油氣資源的需求量日益增加，海上油氣資源的開發(fā)也日益受到重視。海底管線作為一種安全、高效、經(jīng)濟的油氣運輸手段，在海上油氣工程中有著廣泛的應(yīng)用。油氣在管線運輸過程中常常被施加高溫、高壓以便于運輸，使得管線內(nèi)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，當應(yīng)力達到一定值后，管線就會發(fā)生整體屈曲，過度的整體屈曲會影響管線的功能甚至造成管線的失效，因此需要加以控制。早在20世紀80年代國外學(xué)者就開始了關(guān)于管線整體屈曲的研究，提出了管線整體屈曲的各階模態(tài)，并通過理論分析，求解了理想管線[1]和具有一定初始缺陷管線[2]發(fā)生整體屈曲變形后管線軸力、彎矩和變形幅值與整體屈曲長度的對應(yīng)關(guān)系，推導(dǎo)出管線整體屈曲的臨界荷載。隨著海洋石油開采由近海向深海發(fā)展，管線受水深條件的影響，多為直接裸鋪于海床表面不掩埋，因此深海管線多發(fā)生水平向整體屈曲，對水平向整體屈曲的分析逐漸成為該領(lǐng)域的熱點問題。借助于日漸成熟的計算機技術(shù)和大量有限元軟件的應(yīng)用和開發(fā)，許多學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法分析了非線性土體約束下管線水平向整體屈曲的成因、形態(tài)和影響因素[3-4]。

管土間相互作用力直接影響著管線的整體屈曲，在研究管土約束力時，模型試驗和有限元分析應(yīng)用較為廣泛。1986年，Brennodden等[5]在硬黏土、粉質(zhì)松散細砂、軟黏土和中粗砂四種土體中對不埋管線水平向運動時所受約束力進行了試驗，得出了土體約束力系數(shù)；2005年Bruton等[6]對軟黏土中管線在水 平向循環(huán)荷載作用下運動的試驗表明，軟黏土中管線前部會出現(xiàn)較高的土壩，導(dǎo)致土體對管線約束力的顯著提高；2011和2013年，劉潤等[7-8]對渤海灣土體，采用不同管徑、埋深的管線進行了軸向和水平向運動時土體約束力的測定，建立了基于渤海土體的約束力模型；Bransby等[9]于2002年，Cheuka等[10]于2007年利用離心機試驗方法，通過小尺寸模型反應(yīng)真實大小管線的物理行為，對管土相互作用問題進行了深入研究；2007年任艷榮等[11]利用ABAQUS分析了管線水平向運動的管土相互作用，并比對有關(guān)實驗數(shù)據(jù)，說明了分析的可靠性；Paul等[12]于2009年，Pike等[13]于2010年運用ABAQUS中的CEL技術(shù)，解決了土體大變形問題，為管線穩(wěn)定設(shè)計提供了新的設(shè)計思路與設(shè)計方法。這些試驗和研究，為更好地理解管土相互作用機理，建立正確的土體約束力模型提供了條件，使得整體屈曲的模擬和計算更為精確，結(jié)果更為可信。

對于管線的整體屈曲，眾多學(xué)者對管線在不同管土相互作用模型下發(fā)生整體屈曲后的應(yīng)力狀態(tài)和屈曲形態(tài)進行了大量的研究[14-17]。管線水平向整體屈曲后會產(chǎn)生較大的水平向位移，引起截面的應(yīng)力集中，危害管線安全。對管線整體屈曲后的校核，僅在部分規(guī)范中有所涉及。這里基于對管線初始缺陷與土體約束力模型的研究，結(jié)合現(xiàn)有的國際相關(guān)規(guī)范，針對渤海某實際工程，對現(xiàn)有的兩種海底管線水平向整體屈曲臨界荷載及屈曲失效判斷方法進行了對比，并給出了標準選用時的建議。

1 水平向整體屈曲分析中初始缺陷的引入依據(jù)

Taylor和Gan[2]在1986年對具有初始缺陷管線進行了整體屈曲分析，并對缺陷管線和理想管線進行了對比，得出缺陷對于管線強度的影響規(guī)律。經(jīng)分析得出同一根管線在不同大小初始缺陷下，發(fā)生整體屈曲后隨著整體屈曲幅值的發(fā)展會產(chǎn)生不同的軸力—屈曲幅值關(guān)系曲線。通常用缺陷的幅值與長度之比(v0/L0)來描述缺陷的大小，對于缺陷v0/L0較小管線，發(fā)生水平向整體屈曲后軸力—屈曲幅值曲線會出現(xiàn)一段軸力隨幅值增長而降低的下降段，而缺陷v0/L0較大的管線則不存在下降段，圖1為渤海某工程管線處于三種不同大小缺陷狀態(tài)下管線發(fā)生水平向整體屈曲后的軸力—屈曲幅值曲線，采用了Taylor和Gan推導(dǎo)的一階水平向整體屈曲的軸力公式進行了計算[2]。

圖1 不同幅值與波長比下管線的軸力—屈曲幅值曲線Fig. 1 Axial force vs. buckling amplitude of pipelines with various imperfection ratios

由此可見，初始缺陷大小的確定，不僅影響管線發(fā)生整體屈曲的臨界荷載，而且嚴重影響管線在后屈曲階段的應(yīng)力和應(yīng)變，對分析結(jié)果的可靠性將會產(chǎn)生很大的影響。

在實際的海底管線工程中，初始缺陷的存在不可避免，可以將管線的初始缺陷分為制造缺陷和鋪設(shè)缺陷兩大類，其中鋪設(shè)缺陷可分為由于海床的崎嶇不平造成的缺陷和人為設(shè)置的缺陷。制造缺陷是指管線制造過程中，因制造工藝等因素造成的管線初始撓度、初始橢圓度和初始表面凹陷等，其中管線的初始撓度對水平向整體屈曲分析的意義較大。在已有的規(guī)范和資料中，有關(guān)管線初始制造缺陷的規(guī)定較少，僅DNV-RP-C202中提及管線的缺陷可參照DNV-OS-C401-2013《離岸結(jié)構(gòu)部件的制造和測試》中的相關(guān)敘述，根據(jù)OS-C401管線的初始撓度幅值和波長比應(yīng)不大于1.5‰，即對于不考慮鋪設(shè)缺陷的管線，初始缺陷幅值與波長之比應(yīng)小于等于1.5‰[18]。隨著海洋石油工程向更深海域的發(fā)展，管線承受更大的溫差和壓差，管線內(nèi)因此產(chǎn)生更大的附加應(yīng)力，這對管線系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定極為不利。目前越來越多的工程中都采取了在一部分管段人為地設(shè)置一定的初始缺陷，以主動觸發(fā)管線的水平向整體屈曲來釋放累積的附加應(yīng)力。人為因素和多變的海底地質(zhì)條件使得管線的鋪設(shè)缺陷具有相當大的不確定性，鋪設(shè)缺陷大小的確定需要根據(jù)具體的實際工程資料和初期設(shè)計來確定(在現(xiàn)有研究中，初始缺陷的幅值取值從0.01～2 m甚至更大)，而在不考慮鋪設(shè)因素的水平向整體屈曲分析時，應(yīng)將引入缺陷的v0/L0控制在1.5‰以下較為合理。

2 海底管線是否發(fā)生水平向整體屈曲的判定

溫壓聯(lián)合作用造成的管線內(nèi)附加應(yīng)力會使不埋管線有發(fā)生水平向整體屈曲的可能性，但何時、何處發(fā)生水平向整體屈曲與管線所受的荷載大小、初始缺陷位置和大小、管線所受土體約束力大小有關(guān)。在管線設(shè)計中，確定管線的屈曲臨界荷載，對判斷管線在工作荷載下是否發(fā)生水平向整體屈曲有著重要的意義。

2.1DNV規(guī)范中管線整體屈曲判斷標準

2.1.1 DNV《桿件、桁架和球形殼的屈曲強度》規(guī)范推薦的方法

對于大長細比結(jié)構(gòu)物的整體屈曲判斷，DNV給出了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范。早期DNV規(guī)范判斷管線是否發(fā)生整體屈曲時采用的是DNV Classification Notes No.30.1-2004《桿件、桁架和球形殼的屈曲強度》規(guī)范推薦的方法，首先根據(jù)屈服強度與歐拉屈曲強度之比求出結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性強度系數(shù)λ[19]：

式中：σE為歐拉屈曲強度，σE=π2E/λk2，λk為柔度，λk=kL/i。

而后根據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不同，將λ與對應(yīng)的結(jié)構(gòu)物臨界穩(wěn)定性強度系數(shù)λ0進行比較，按下式計算出臨界屈曲應(yīng)力σacr：

式中：μ=θ(λ-λ0)，系數(shù)θ取0.5。

當在外荷載作用下，結(jié)構(gòu)物內(nèi)的最大應(yīng)力超過σacr時可判定結(jié)構(gòu)物發(fā)生整體屈曲。

2.1.2 DNV《殼體的抗屈曲強度》推薦的方法

隨著海洋工程的發(fā)展，挪威船級社(DNV)針對海洋工程中殼體結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性設(shè)計，編寫出版了DNV-RP-C202《殼體的抗屈曲強度》，可用于驗算結(jié)構(gòu)物內(nèi)外存在壓差時的整體屈曲穩(wěn)定性[20]?！稓んw的抗屈曲強度》在驗算整體屈曲時，將荷載分為軸向拉(壓)力、彎矩、環(huán)向壓(張)力、扭轉(zhuǎn)力、剪切力五類，考慮截面尺寸、材料特性和所受主導(dǎo)荷載的差異，當管線的長度與截面剛度滿足(kL/i)2≥2.5E/σy時需要進行管線的整體屈曲穩(wěn)定性驗算[21]。驗算時，首先依據(jù)管線所受荷載情況求出管線的軸向壓縮應(yīng)力σa和軸向整體屈曲強度設(shè)計值fkcd，計算如下：

式中：γM為材料系數(shù)，取1.15；fkc為圓柱整體屈曲強度特征值。

其次，計算環(huán)向壓差應(yīng)力σh、彎曲應(yīng)力σm和管線的局部屈曲強度設(shè)計值fakd：

最后，將上述計算值代入式(8)中：

若不等式成立則在該工作荷載組合下管線不會發(fā)生整體屈曲。

2.2工程算例

以渤海某工程為背景，管線設(shè)計參數(shù)如表1所示。分別對理想管線和具有初始缺陷的管線計算整體屈曲臨界荷載，進而對比不同計算方法所得結(jié)果的差異。

表1 管線設(shè)計參數(shù)Tab. 1 Design parameters of pipeline

2.2.1 理想管線的臨界屈曲荷載

分別采用解析法、規(guī)范法和有限元法進行計算，管線的計算長度從10 m 增加到250 m，以2 m為間隔，得到了不同管線計算長度與臨界屈曲荷載的關(guān)系曲線，如圖2所示。其中解析解算法采用了Hobbs在1984年推導(dǎo)的水平向一階模態(tài)的經(jīng)典解，規(guī)范法分別采用了DNV的兩種方法，有限元法則采用ABAQUS中的Buckle分析步，該分析步常用來分析剛性結(jié)構(gòu)的分叉荷載，可用于估算理想結(jié)構(gòu)發(fā)生整體屈曲時的臨界荷載，分析結(jié)果在工程的失穩(wěn)設(shè)計中有一定的參考價值。分析中采用C3D8R單元模擬管線，劃分網(wǎng)格時管線軸向以0.1 m為間隔劃分，每個截面劃分8個網(wǎng)格，同時約束屈曲段管線的豎直向位移，對屈曲段以外管線約束全部六個自由度。臨界屈曲荷載的有限元計算模型如圖3所示。

圖2 不同屈曲長度管線的臨界屈曲荷載Fig. 2 Relationship between critical buckling force and buckling length

圖3 臨界屈曲荷載的有限元計算模型Fig. 3 FEA model for critical buckling force calculation

由圖2可知，管線的臨界屈曲荷載隨著整體屈曲長度的增大呈遞減趨勢，解析解、有限元和DNV-RP-C202的結(jié)果曲線遞減趨勢呈現(xiàn)良好的一致性，而根據(jù)DNV Classification Note N0.30.1計算的結(jié)果當屈曲長度較小時偏于保守，隨著長度增加趨于危險，可見Classification Note N0.30.1對于較短管線具有較高的安全度，隨著管線長度的增加，所得結(jié)果安全系數(shù)下降，不宜用于確定較長管線發(fā)生整體屈曲的臨界荷載。對比三種方法的計算結(jié)果可以看出，解析解結(jié)果最大，有限元結(jié)果其次，規(guī)范RP-C202的結(jié)果最小，這是由于解析解基于小撓度理論建立平衡方程求解，而這一理論在小變形分析中精度較高，當變形較大時分析結(jié)果存在誤差，且沒有預(yù)留安全系數(shù)，因此計算值較大；規(guī)范法考慮了制造缺陷限度以內(nèi)的初始缺陷對管線整體屈曲臨界軸力的影響，且預(yù)留安全儲備，因此計算值最?。挥邢拊ㄔ贐uckle分析中忽略了土體約束力，計算值大小介于兩者之間，采用非線性算法并進一步細化邊界、接觸后的有限元模擬可以用于工程中的優(yōu)化設(shè)計。

2.2.2 具有初始缺陷管線的臨界屈曲荷載

采用有限元法進行計算，先通過模態(tài)引入的方法引入不同大小的初始缺陷[22]，再利用ABAQUS中的動力分析法對缺陷結(jié)構(gòu)進行非線性的后屈曲分析。缺陷狀態(tài)分為v0/L0≤1.5‰的小缺陷狀態(tài)和v0/L0>1.5‰的大缺陷狀態(tài)，缺陷形狀以Neil和Gan的研究成果為依據(jù)。分別計算了5種不同大小初始缺陷管線的臨界屈曲荷載，計算結(jié)果如表2與圖2所示。

表2 缺陷管線臨界屈曲荷載計算值(ABAQUS模擬結(jié)果)

對比表2和圖2中不同缺陷大小下的管線臨界屈曲荷載可知，當缺陷較小不超過制造缺陷上限(v0/L0≤1.5‰)時，某一固定長度下小缺陷管線的臨界屈曲荷載介于解析解與規(guī)范RP-C202的計算值之間，大缺陷管線的臨界屈曲荷載則低于規(guī)范RP-C202，即解析解的曲線與規(guī)范RP-C202計算所得曲線構(gòu)成了近平直管線(0‰≤v0/L0≤1.5‰)臨界屈曲荷載的值域空間上下限。在實際工程中當近平直管線屈曲長度已知時，若管線所受的實際荷載大于臨界屈曲荷載上限值時，可判斷管線發(fā)生水平向整體屈曲，需要進行下一步水平向整體屈曲的防控設(shè)計；若所受的荷載值小于下限值，則不發(fā)生整體屈曲，不需要進行水平向整體屈曲的分析。

當缺陷較大超過制造缺陷上限(v0/L0≤1.5‰)時，管線的臨界屈曲荷載減小，由圖2可知v0/L0=3.93‰、4.3‰、5.17‰的臨界屈曲荷載均低于近平直管線值域空間的下限，若實際工程中所受軸力大于規(guī)范計算值則管線已經(jīng)發(fā)生水平向整體屈曲，若荷載值低于規(guī)范計算值，則需要進一步分析。

將上述方法應(yīng)用于渤海某工程中判斷管線是否發(fā)生整體屈曲，假定該工程沒有鋪設(shè)缺陷，按制造缺陷的上限值引入初始缺陷，則缺陷的幅值為96 mm，波長為64 m，管線在正常工作狀態(tài)下P=EAαT+ApD(0.5-ν)/t/2=3.75 MN，該長度下解析解計算的臨界屈曲荷載為0.535 MN，工作荷載值遠大于解析解計算值，可以判斷管線已經(jīng)發(fā)生整體屈曲，需要進一步進行整體屈曲分析。

3 水平向整體屈曲的破壞標準

判斷管線在發(fā)生水平向整體屈曲后是否失效至關(guān)重要。通常，發(fā)生整體屈曲的管線隨著溫度和內(nèi)壓的增加將進一步產(chǎn)生較大的側(cè)向變形，內(nèi)部應(yīng)力隨著增長，因此管線是否失效的判斷標準也可分為內(nèi)力判斷標準和變形判斷標準兩大類。

3.1內(nèi)力判斷標準

管線在發(fā)生水平向整體屈曲后，伴隨著軸力的釋放會產(chǎn)生由變形引起的彎矩，過大的彎矩將會對管線系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅，因此在內(nèi)力校核時應(yīng)依照截面軸力與彎矩的組合來進行驗算。DNV規(guī)范以管線變形最劇烈的截面是否產(chǎn)生局部破壞時荷載組合的臨界值作為判斷依據(jù)[23]。驗算時，首先需要計算屈服應(yīng)力系數(shù)αc和管線的等效屈服力Sp、等效屈服彎矩Mp，具體計算如下：

式中：系數(shù)β=(60-D/t)/90；fy為設(shè)計屈服強度，fy=σy-fy,temp，fy,temp為溫度作用下屈服強度的折減值；fu為設(shè)計抗拉強度，fu=σu-fu,temp，fu,temp為溫度作用下抗拉強度的折減值。

而后，依據(jù)管線內(nèi)外壓力的大小分別按式(12)、(13)進行驗算，若滿足式(12)、(13)，則屈曲后的管線未破壞。

當管線受到的內(nèi)部壓力大于外部壓力時：

當管線受到的內(nèi)壓小于外壓時：

式中：pc為壓潰壓強。

式中：αpm為塑性抗彎系數(shù)，αpm=1-DR/(130tRy)，R為作用點的反力，Ry=3.9fyt2。

3.2變形判斷標準

發(fā)生水平向整體屈曲后，管線產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變對管線的安全有重大影響，必須對其進行限定。DNV規(guī)范中根據(jù)管線內(nèi)外壓力的大小分別進行驗算。當管線內(nèi)壓大于外壓時，需要考慮壓差與破裂壓強pb的相互關(guān)系，發(fā)生水平向整體屈曲后管線截面最大壓縮應(yīng)變ε不應(yīng)超過壓縮應(yīng)變設(shè)計值εRD，驗算如下：

式中：γε為安全系數(shù)；pmin為管線內(nèi)所能維持的最小內(nèi)部壓強；αh為應(yīng)變硬化指數(shù)，取0.93；αgw為焊接系數(shù)，取1.0。

當管線所受的工作內(nèi)壓小于外部壓強時，則考慮壓差與管線壓潰壓強pc的關(guān)系，需滿足以下條件：

3.3工程算例

采用前述工程算例，運用解析法和有限元法，計算工作荷載下管線發(fā)生水平向整體屈曲后管線最危險截面處的軸力、彎矩和應(yīng)變，分別按照變形、內(nèi)力判斷標準判斷管線是否失效。

3.3.1 管線屈曲后內(nèi)力的計算

解析解法采用王秀妍[24]推導(dǎo)的公式計算管線整體屈曲后的軸力和彎矩，具有初始缺陷的管線發(fā)生高階水平向整體屈曲時，溫度荷載與屈曲長度間有如下的對應(yīng)關(guān)系：

算得對應(yīng)的屈曲長度后，根據(jù)軸力、彎矩與計算長度的關(guān)系式，求得屈曲后管線最危險截面處內(nèi)壁的軸力與彎矩：

有限元法采用ABAQUS的Explicit算法模擬管線的整體屈曲過程，計算中管線長度取為1 km，在管線中點處引入初始缺陷，管線單元采用Pipe31，土體單元采用C3D8R，管線兩端約束水平向和軸向的位移，模擬中土體約束力模型如圖4所示。由于ABAQUS中默認的切向摩擦行為為單一摩擦系數(shù)的罰函數(shù)接觸，不能很好的模擬土體對管線的約束，因此對約束模型進行二次開發(fā)，通過編譯子程序VFRIC引入圖4所示的模型作為管土間切向約束關(guān)系的控制函數(shù)。建立的有限元分析模型如圖5所示。

圖4 土體約束力模型Fig. 4 Pipe-soil interaction model used in FEA

圖5 有限元分析模型示意Fig. 5 FEA model

整體屈曲后管線的軸力云圖如圖6所示，軸力以拉力為正、壓力為負。

圖6 整體屈曲后管線內(nèi)壁的軸力云圖Fig. 6 Contour plot of the axial force in the pipeline

由圖6可知，在溫度荷載作用下管線全段受壓，屈曲段管線由于發(fā)生了整體屈曲變形，釋放了部分壓力，中點處軸力為0.262 MN。

整體屈曲后管線的彎矩云圖如圖7所示。

圖7 整體屈曲后管線內(nèi)壁的彎矩云圖Fig. 7 Distribution of bending moment in the pipeline

由圖7可知，隨著變形的發(fā)展，管線所受到彎矩增大，最大彎矩出現(xiàn)在管線中點處，為0.33 MNm。

整體屈曲后管線的軸向應(yīng)變云圖如圖8所示。

圖8 整體屈曲后管線應(yīng)變云圖Fig. 8 Distribution of axial strain in the pipeline

由圖8可以看出，軸向應(yīng)變隨變形的增大而增大，最大軸向應(yīng)變0.243 %。

3.3.2 管線失效判斷

按照內(nèi)力判斷標準驗算：解析解計算所得最危險截面處的彎矩M=4.05×105N·m、軸力P=1.46×105N，代入式(13)中，可得公式左邊為0.626<1滿足內(nèi)力驗算標準，管線屈曲后未破壞。有限元法所得最危險截面處的彎矩M=3.33×105N·m、軸力P=2.62×105N，代入式(12)中，得公式左邊等于0.423<1滿足內(nèi)力判斷標準，管線屈曲后未破壞。

按照變形判斷標準驗算：有限元法可得到管線的最大壓縮應(yīng)變ε為0.244%，代入式(15)中，得到ε=0.244%<εRD=2.2%滿足變形判斷標準，管線屈曲后未破壞。

3.3.3 判斷標準的討論

圖9 內(nèi)力判斷與變形判斷標準的比較Fig. 9 Comparison of two different critical failures

為探究內(nèi)力判斷與變形判斷兩種標準在工程應(yīng)用中哪種更為嚴格，采用繼續(xù)增加管線溫度荷載的方法進行進一步分析，結(jié)果如圖9所示。圖中橫坐標代表所受的實際溫度荷載值，縱坐標為實際應(yīng)力、應(yīng)變與極限應(yīng)力、應(yīng)變之比。

從圖9中可以看出，隨著溫度繼續(xù)上升，截面內(nèi)力增加顯著，而最大壓縮應(yīng)變增加較為緩慢，當工作溫差加到170℃時，最危險截面處的彎矩M=5.17×105N·m、軸力P=2.39×105N，代入式(13)中得公式左邊等于1.02>1，管線不滿足內(nèi)力驗算標準，而此時管線最大壓縮應(yīng)變僅為0.413 %，尚未達到變形標準破壞臨界值，因此，相較于變形標準，內(nèi)力標準在由溫壓聯(lián)合作用引起的水平向整體屈曲的校核中更為嚴格，安全性更高，應(yīng)作為校核由初始缺陷激發(fā)的管線水平向整體屈曲后截面是否發(fā)生破壞的主要參照標準。

4 結(jié) 語

基于國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果，結(jié)合工程算例，對海底管線在高溫高壓作用下是否發(fā)生水平向整體屈曲與整體屈曲后管線是否破壞進行了分析，具體結(jié)論如下：

1)基于渤海某工程設(shè)計參數(shù)，運用解析法、規(guī)范法和有限元法分析不同缺陷大小對管線臨界屈曲荷載的影響，結(jié)果顯示管線臨界屈曲荷載隨計算長度的增加而降低、隨初始缺陷的增大而降低，且對于理想管線和初始缺陷v0/L0≤1.5‰的小缺陷管線臨界屈曲荷載介于規(guī)范值和解析解值之間；

2)結(jié)合工程實例分別采用內(nèi)力與變形的判斷標準對管線屈曲變形后是否失效進行了驗算，并通過進一步分析對比指出了兩種驗算標準的差異。分析指出由初始缺陷激發(fā)的管線發(fā)生水平向整體屈曲后截面的破壞驗算中，內(nèi)力驗算標準更為嚴格，應(yīng)作為主要參照標準。

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Study on submarine pipeline lateral global buckling and buckling failure criterion

LIU Run, HONG Zhaohui, LIU Wenbin

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Submarine pipeline is an important way for offshore oil transportation. In operation, pipelines are usually applied under high temperature and high pressure to meet the needs of transport process, and the combined effect of high temperature and high pressure will cause additional stress in pipelines. When the additional stress is greater than the resisting force due to the soil around pipelines, it induces global buckling. Uncontrolled deformation leads to excessive bending which threatens the safety of pipeline system. It is important to ensure that the limit states of pipeline section are not exceeded. This paper analyzes pipeline global buckling with three kinds of methods: analytical method, specification method and numerical method. The critical buckling force of pipelines with different imperfections is calculated and the critical force range is proposed to evaluate the buckling. This study also checks the limit state of a post-buckling pipeline on the basis of the design parameter of a case with Det Norske Veritas codes. The applicability of the criterion load control and that of displacement control is discussed as well. Results show that the load control criterion is stricter than the displacement control criterion.

submarine pipeline; lateral global buckling; critical buckling judgment; post-buckling check

P756.2; TE83

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.001

1005-9865(2015)06-001-09

2014-09-30

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2014CB046800)；國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(51322904)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助課題(20130032110074)

劉 潤(1972-)，女，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事結(jié)構(gòu)物與土的相互作用研究。E-mail: liurun@tju.edu.cn