海底管道屈曲傳播與止屈控制研究

深水海底管道的鋪設(shè)問題是深水油氣田開發(fā)的核心問題。深水海底管道在鋪設(shè)過程中往往因初始缺陷或鋪設(shè)過程中造成的局部凹陷而發(fā)生屈曲失穩(wěn)。這種屈曲一旦在管道局部形成，將容易因外部靜水壓力作用而沿著管道縱向迅速傳播，造成危害性較大的傳播性屈曲，令管道整體結(jié)構(gòu)失效。目前，我國在這方面的研究剛剛起步。本課題將基于深水管道鋪設(shè)過程中的受力特點，建立軸力、彎矩和靜水壓聯(lián)合作用下的管道屈曲模型，研究其承載力和橢圓化屈曲變形，進(jìn)行局部屈曲和屈曲傳播的理論分析；開發(fā)管道屈曲三維有限元分析模型，分析管道屈曲敏感性因素和屈曲傳播趨勢；開展不同徑厚比、缺陷形式下的管道屈曲試驗，驗證理論和數(shù)值分析結(jié)果；由理論分析、數(shù)值分析和試驗研究結(jié)果總結(jié)管道屈曲和屈曲傳播規(guī)律，分析對比已有的各種止屈器的優(yōu)缺點及適用范圍，并對止屈器止屈效果影響因素、止屈器長度和間距選取原則、止屈器安裝方法進(jìn)行研究，從而設(shè)計出適應(yīng)于不同水深環(huán)境的止屈器。 2100433B

深水海底管道的鋪設(shè)問題是深水油氣田開發(fā)的核心問題。深水海底管道在鋪設(shè)過程中往往因初始缺陷或鋪設(shè)過程中造成的局部凹陷而發(fā)生屈曲失穩(wěn)。這種屈曲一旦在管道局部形成，將容易因外部靜水壓力作用而沿著管道縱向迅速傳播，造成危害性較大的傳播性屈曲，令管道整體結(jié)構(gòu)失效。目前，我國在這方面的研究剛剛起步。本課題將基于深水管道鋪設(shè)過程中的受力特點，建立軸力、彎矩和靜水壓聯(lián)合作用下的管道屈曲模型，研究其承載力和橢圓化屈曲變形，進(jìn)行局部屈曲和屈曲傳播的理論分析；開發(fā)管道屈曲三維有限元分析模型，分析管道屈曲敏感性因素和屈曲傳播趨勢；開展不同徑厚比、缺陷形式下的管道屈曲試驗，驗證理論和數(shù)值分析結(jié)果；由理論分析、數(shù)值分析和試驗研究結(jié)果總結(jié)管道屈曲和屈曲傳播規(guī)律，分析對比已有的各種止屈器的優(yōu)缺點及適用范圍，并對止屈器止屈效果影響因素、止屈器長度和間距選取原則、止屈器安裝方法進(jìn)行研究，從而設(shè)計出適應(yīng)于不同水深環(huán)境的止屈器。

海底管道屈曲變形極易造成管道破裂和加速管道腐蝕老化。前期研究表明：管道內(nèi)磁場與管道走向密切相關(guān)，平面應(yīng)力會顯著改變鋼板磁導(dǎo)率及其周圍的磁場分布。針對屈曲鋼管特殊的幾何形狀和應(yīng)力分布規(guī)律，本項目提出一種基于磁機(jī)械效應(yīng)的海底管道屈曲變形內(nèi)檢測方法，以實現(xiàn)高分辨力、低成本、短周期檢測。本項目綜合采用解析法、有限元法、多尺度分析法、實驗研究等手段開展以下研究：（1）分析屈曲變形管道的應(yīng)力分布，研究建立地磁場和復(fù)合應(yīng)力作用下管道管材磁機(jī)械效應(yīng)模型；（2）研究建立雙軸應(yīng)力狀態(tài)下考慮磁機(jī)械效應(yīng)的鋼管磁屏蔽模型，獲得屈曲管道內(nèi)磁場分布規(guī)律；（3）研究利用管道內(nèi)磁場及其導(dǎo)出變量表征管道屈曲變形的方法；（4）最終給出屈曲變形內(nèi)檢測的具體實施步驟和系統(tǒng)集成方案。本項目的開展將為利用管道內(nèi)磁場進(jìn)行海底管道屈曲變形檢測提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)，對于及時維護(hù)海底管道和確保其長期安全運行具有重要意義。

海底原油輸送管道需要在高溫高壓下運行，以防止原油冷凝結(jié)蠟，累積著很大軸向熱應(yīng)力，常常引起管道發(fā)生側(cè)向和豎向屈曲失穩(wěn)。屈曲變形會使海底管道承受巨大的拉伸和彎曲應(yīng)力，大大增加了其遭受應(yīng)力腐蝕和發(fā)生疲勞斷裂的風(fēng)險。本項目創(chuàng)新地提出基于磁機(jī)械效應(yīng)的海底管道屈曲變形檢測技術(shù)，充分利用屈曲管道特有的形貌/應(yīng)力/內(nèi)部磁場分布規(guī)律，實現(xiàn)對管道屈曲變形的高靈敏檢測，形成了若干關(guān)鍵技術(shù)，具有分辨力高、成本低、準(zhǔn)實時等優(yōu)點。（1）項目研究了包含非理想原始磁化的管道磁屏蔽模型，以便利用管道內(nèi)磁場確定管道走向的改變，進(jìn)而判斷管道是否發(fā)生屈曲；對比經(jīng)典磁屏蔽模型與有限元仿真分析結(jié)果以及實驗驗證，表明現(xiàn)場長輸管道的磁屏蔽系數(shù)在統(tǒng)計學(xué)上符合無限長圓柱腔體模型，且磁屏蔽系數(shù)不隨管道走向的變化而變化，因此能夠用于預(yù)測屈曲變形管道內(nèi)的磁場分布特征，從而驗證了管道屈曲磁表征的可能性。（2）針對管道幾何形狀的改變，研究并提出了一種基于滾動磁接近開關(guān)的海底管道豎向屈曲檢測方法，通過對管道傾角的高精度和高分辨力測量來判斷管道是否發(fā)生豎向屈曲，傾角測量誤差大部分小于 0.5°；研究并提出了一種利用載體滾動頻率和向心加速度來檢測海底管道豎向屈曲的方法，彎曲撓度檢測分辨力可以達(dá)到1 cm/12 m。（3）研究了不同應(yīng)力、不同走向、不同消磁強(qiáng)度時屈曲管道內(nèi)的磁場分布特點，明確了各個條件下屈曲變形管道的內(nèi)部磁特征，提出可通過消磁來顯著地提高彎曲變形檢測分辨力；研究表明，管道內(nèi)磁場可以指示出形貌上不易察覺的微弱管道屈曲，驗證了磁機(jī)械效應(yīng)應(yīng)用于管道屈曲檢測的可行性和優(yōu)勢。（4）開發(fā)了球形內(nèi)檢測器，定制了高性能的磁場和慣性數(shù)據(jù)采集模塊，優(yōu)化了球體結(jié)構(gòu)和各個模塊的布局，保證了測試數(shù)據(jù)的高質(zhì)量，在現(xiàn)場管道上開展了多次測試，取得了良好的效果。項目研究成果填補(bǔ)了海底管道屈曲變形準(zhǔn)實時檢測的理論和技術(shù)空白，對海底管道精準(zhǔn)維護(hù)和長期安全運行具有重要意義。 2100433B

可變形電子技術(shù)是當(dāng)前國際電子產(chǎn)業(yè)的前沿技術(shù)，研究可變形電子結(jié)構(gòu)的動力屈曲和后屈曲問題，是具有顯著創(chuàng)新性的前沿課題，具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。本項目研究可變形電子結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變速率下的非線性動力屈曲和后屈曲問題，研究其臨界荷載、初發(fā)屈曲模態(tài)、初始屈曲時間，關(guān)注其屈曲變形的動態(tài)擴(kuò)展規(guī)律及其最終屈曲模態(tài)，考慮初始缺陷的重要影響，并研究復(fù)雜應(yīng)力情況下可變形電子結(jié)構(gòu)的動力屈曲問題。本項目將得到可變形電子結(jié)構(gòu)的動力屈曲和后屈曲的特征參量與結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)、幾何參數(shù)和載荷特性的關(guān)系，為可變形電子產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)提供重要的理論依據(jù)。