一种基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计方法与流程

1.本发明涉及海洋工程设计技术领域，尤其涉及一种基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计方法。


背景技术：

2.大口径海底管道抗外压能力较为薄弱，特别是在安装期，由于管道处于空管状态，对外压作用更为敏感。因此，对于大口径海底管道局部屈曲校核，安装阶段的工况需要尤为关注。海底管道安装期间，在外部荷载的作用下，由于结构刚性不足会导致管道横截面发生形变，产生局部屈曲。对于大口径管道，由于径厚比较大，管道的薄壁效应更加明显，特别是在作用于管道侧向的外部荷载较大的情况下，更容易发生局部失稳，对管道造成破坏。大口径海底管道受到点荷载作用，比常规口径管道更易发生局部屈曲失稳。
3.现有设计方法是通过对管道在点荷载作用下所产生的塑性弯矩进行修正来完成管道的局部屈曲设计，但是该设计方法未考虑混凝土配重层对管道的保护作用，而大口径海底管道受到坐底稳定性的影响通常都需要涂敷一定厚度的混凝土配置层，所以采用传统设计方法进行的基于点荷载的管道局部屈曲校核并不符合真实的大口径管道结构形式，而且计算结果偏于保守。


技术实现要素：

4.本专利公开了一种基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计方法，通过考虑大口径海底管道的结构特点以及点荷载的作用方式，提出了一种新型的管道局部屈曲设计方法，使设计成果更加符合工程的实际情况。
5.为实现本发明目的，采用了以下技术方案：一种基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计方法，所述设计方法步骤如下：
6.s1:基于海底管道施工方案和施工资源，确认点荷载结构的尺寸、材质，以及点荷载结构与海底管道的接触形式；
7.s2:确认海底管道外涂层结构形式；
8.s3:针对管道所考虑的设计工况，对管道所处的安装状态或在位状态进行数值模拟，确定点荷载作用点及两侧管端的受力状态；
9.s4:依据点荷载结构和管道结构建立有限元模型，其中管道混凝土配重层厚度应根据管道坐底稳定性要求进行模拟；
10.s5:在有限元模型两侧管端加载管道所处的安装状态或在位状态下受到的轴力和弯矩，用于确定管道在点荷载作用下受力状态；
11.s6:确认管道受到的mises应力是否满足材料屈服强度要求，如不满足材料屈服强度要求，需要重新改变管道壁厚或调整铺管船滚轮的布置，重复步骤s3到步骤s5，直至管道受到的mises应力能够满足材料屈服强度的要求；
12.s7:确认管道径厚比是否大于或等于45，对于径厚比大于或等于45的薄壁管道在
局部屈曲校核中应对管道的塑性能力进行折减，即对管道塑性弯矩进行修正，修正方法如下所示：
[0013][0014]
式中：m
p
为修正前的塑性弯矩，m'
p
为修正后的塑性弯矩；为抗力衰减系数；
[0015]
当45≤d/t≤50时，当50<d/t≤55，
[0016]
如果管道径后小于45，直接进行步骤s8的计算；
[0017]
s8:将点荷载作用的管体区域所受到的轴力和弯矩导入以下公式计算管道局部屈曲的校核值，公式如下：
[0018][0019]
m
d
＝m
f
γ
f
γ
c
m
e
γ
e
m
i
γ
f
γ
c
m
a
γ
a
γ
c
[0020]
s
d
＝s
f
γ
f
γ
c
s
e
γ
e
s
i
γ
f
γ
c
s
a
γ
a
γ
c
[0021]
m
p
＝f
y
(d
‑
t)2t
[0022]
s
p
＝f
y
π(d
‑
t)t
[0023]
式中：a为局部屈曲校核值；m
d
、m
p
、m
f
、m
e
、m
i
、m
a
分别为设计弯矩、塑性弯矩、功能弯矩、环境弯矩、干涉弯矩、偶然弯矩；s
d
、s
f
、s
e
、s
i
、s
a
、s
p
分别为设计有效轴力、塑性有效轴力、环境有效轴力、干涉有效轴力、偶然有效轴力、设计有效轴力；p
e
、p
min
、p
c
分别为外部压强、最小内部压强、特征压溃压强；γ
sc
、γ
m
、γ
f
、γ
e
、γ
a
、γ
p
、γ
c
、α
c
分别为安全等级抗力因子、材料抗力因子、功能荷载效应因子、环境荷载效应因子、偶然荷载效应因子、压力荷载效应因子、条件荷载效应因子、流动应力系数；d、t分别为管道直径、壁厚；f
y
为屈服强度；
[0024]
s9:依据dnvgl
‑
st
‑
f101
‑
2017规范对局部屈曲进行校核，确定管道满足局部屈曲设计要求，如不满足，应重新改变管道壁厚或调整铺管滚轮布置，重复步骤3到步骤9，直至管道满足局部屈曲设计要求，即完成基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计。
[0025]
进一步的，在管道局部屈曲评估中，考虑了外涂层结构对于管道的保护作用。
[0026]
进一步的，在管道局部屈曲评估中，考虑了工程中点荷载结构与管道之间真实的作用形式。
[0027]
进一步的，提出了薄壁管道在局部屈曲校核中针对管道塑性能力的修正要求。
[0028]
本发明的有益效果：与现有设计方法相比，本发明公开了一种基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计方法，该方法通过考虑大口径海底管道的结构特点以及点荷载的作用方式，考虑了局部屈曲评估中外涂层结构对于管道的保护作用，并提出了薄壁管道在局部屈曲校核中针对管道塑性能力的修正要求，提出了一种新型的管道局部屈曲设计方法，使设计成果更加符合工程的实际情况，从设计方法上实现了对dnv规范的补充，对于大口径海底管道的局部屈曲设计具有较好的推广价值。
附图说明
[0029]
图1为本发明设计流程示意图。
[0030]
图2为管道外表面有限元应力云图。
[0031]
图3为管道横截面有限元应力云图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0033]
实施例，如图1到图3所示，本发明公开了基于点荷载作用的大口径海底管道局部屈曲设计方法，每一步的具体实施如下：
[0034]
下面以44英寸海底管道铺设安装作为案例，对本发明技术方案做出更为具体说明：
[0035]
s1:设计中点荷载形式为海底管道铺设作业中铺管船的滚轮支撑，滚轮外表面为橡胶材质；
[0036]
s2:海底管道在钢管外侧涂敷有厚度为4.2mm的3lpe防腐层，在防腐层外侧涂敷有厚度为80mm混凝土配置层；
[0037]
s3:应用offpipe软件作为管道铺设过程受力状态分析工具，铺管船托管架长度40m，管道安装采用s型铺管船法，铺管船滚轮支反力作为点荷载作用，作业水深26m，滚轮最大支反力48t，铺管船铺设张力100t；
[0038]
s4:应用abaqus软件作为有限元分析工具，管道采用实体单元建模，模型长度考虑铺管船相邻3组铺设滚轮之间的距离。将管道铺设安装过程中的铺设滚轮支反力作为点荷载，以集中荷载形式进行模拟，在管道两端考虑管道铺设过程中的铺设弯矩及铺设轴力；边界条件采用固定约束，钢管和混凝土配重层之间采用绑定约束，在网格沿壁厚方向划分为3层单元；
[0039]
s5:在步骤s4的有限元模型中管道两侧管道加载步骤3中计算出的管道铺设过程中受到的端部荷载和点荷载；
[0040]
s6:依据步骤s5，管道与点荷载接触区域的最大mises应力为238.3mpa，满足api 5l psl2 x65材料屈服强度要求，如图2和图3所示。
[0041]
s7:本案例中管道管径为1118mm，壁厚为23.8mm，径厚比大于45，需要对铺设过程中管道的塑性能力进行修正，修正后的塑性弯矩为修正前的0.98倍；
[0042]
s8:将步骤5中计算出的点荷载作用位置的最大功能弯矩为7388kn
·
m，最大功能轴力为936kn以及步骤7中修正的塑性弯矩带入到如下公式：
[0043][0044]
m
d
＝m
f
γ
f
γ
c
m
e
γ
e
m
i
γ
f
γ
c
m
a
γ
a
γ
c
[0045]
s
d
＝s
f
γ
f
γ
c
s
e
γ
e
s
i
γ
f
γ
c
s
a
γ
a
γ
c
[0046]
m
p
＝f
y
(d
‑
t)2t
[0047]
s
p
＝f
y
π(d
‑
t)t
[0048]
计算得到局部屈曲校核值a为0.92。
[0049]
s9:依据dnvgl
‑
st
‑
f101
‑
2017规范对局部屈曲进行校核，步骤s8计算得到的校核值a小于1，管道铺设作业状态及所选择的管道壁厚满足铺设滚轮作为点荷载作用下的局部
屈曲要求。
[0050]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。