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海底管道是深海油气资源开发的生命线。管道在深海铺设过程中承受轴力、弯矩和静水压力的共同作用,极易发生局部屈曲,局部屈曲失稳一旦发生,会沿着管道轴线方向进行传递,进而使得管道结构发生失效而丧失承载能力。控制深海管道屈曲传播的方法是隔一定间距设置止屈器,限制屈曲的影响范围在管道两个止屈器之间,保持管道的整体性,在安全性和经济性闻取得较好的平衡。因此,研究深海油气管道的屈曲传播问题,探讨整体式止屈器的设计和安装工艺,是深水海底管道铺设工艺设计和计算分析技术的重要组成部分,对开发南海深水海域的油气资源具有重要的意义。 本文以前人的研究成果为基础,对深海厚壁管道的局部屈曲、屈曲传播和整体式止屈器的工作性能问题开展了一系列较为系统而深入的研究。主要研究内容和成果简述为以下几个方面: (1)自主设计和制造了用于模拟深水高压海洋环境的试验装置,进行了深海厚壁管道的局部屈曲、屈曲传播以及止屈器工作性能研究的模型试验,测得了管道和止屈器的特征压力和试件压力-体积变化曲线等试验数据。 (2)建立了与模型试验对应的有限元模型,通过模拟结果与试验结果,发现两者吻合较好,验证了数值模拟的准确性。 (3)利用该有限元模型,开展了对厚壁管道的失稳压力和屈曲传播压力的参数敏感性分析,考虑了材料硬化系数的影响,指出了现行国外规范在深水和超深水领域的局限性,得到了计算屈曲传播压力的新经验公式。 (4)验证了整体式止屈器对管道抵抗屈曲传播能力的提升作用,揭示了平行式和正交式两种穿越模式的不同机理,为下一步的理论分析提供了基础。 (5)分析了止屈器规格对止屈器工作效率的影响规律,得到了整体式止屈器的经验设计公式,编写了整体式止屈器的设计指南。公式中包括了正交式穿越阶段效率下限值的计算,能更有效的指导实际工程中的管道设计。