温度应力下海底管线水平屈曲分析
 

摘要：温度应力下海底管线的屈曲大变形是管线设计中所要考虑的关键问题之一。以某实际工程为背景，应用理想平直管线发生水平向屈曲的解析解，分析了温差和地基土特性对管线屈曲大变形的影响。研究表明，在海底管线水平向屈曲的两种主要模式中，第二种屈曲模式对应的初始屈曲温差相对较低；地基土对管线的约束作用显著影响管线初始屈曲对应的温差。
 

关键词：海底管线；水平向屈曲；解析解；温差；地基土摩阻力

0 引言
自 20 世纪70 年代起海底管线逐步在全球范围内成为海上油气运输的主要手段。为了满足生产工艺的要求，管线内熔物在运输过程中需要施加一定的压力并升高温度，温度应力与材料泊松效应的同作用使钢管中产生附加应力。由于受到地基土的约束作用，管线无法自由变形释放应力，随着管长增加附加应力在管线中不断累积，当其值超过地基土体对管线的约束力时，管线就会发生类似于压杆稳定问题的突然变形而使内部应力得到释放，从而导致管线发生竖直向或水平向的屈曲剧变。研究表明对于海底裸置的管线，温度应力下的水平向屈曲是其主要破坏模式[1]。由于管线内承载着大油气，一旦发生屈曲甚至屈服破坏，就会导致油气泄露，不仅造成资源的浪费而且对海洋生物及人类的生存环境构成威胁。因此研究海底管线在温度应力下的屈曲剧变特性具有重要的现实意义。温度应力下海底不埋或半埋管线的水平向屈曲特性研究国外起步较早。1973 年Lyons通过试验研究与数值模拟发现当管线发生水平向运动时，传统的库仑摩擦模型可用于描述砂性土对管线的作用力，而对于软黏土则不适合[2]；Hobbs(1984)[1]基于Kerr(1978)关于连续铁轨的横向屈曲研究成果给出了理想管线竖向与水平向屈曲的解析解；Taylor 和Gan(1986)[3]考虑了管线所受水平向土抗力随其位移变化的情况下，提出理想管线温度应力下水平向屈曲的解析解；Schotman(1987)[4]通过理论分析与数值模拟得到部分埋设管线所受土体抗力与管线位移的关系；Preston 等 (1999)[5]通过有限元分析提出可以采用预设膨胀弯法控制管线的水平屈曲；Peek 和Yun(1999)[6]研究了浮力对铺设于海底表面管线发生水平屈曲的影响。有关这方面的研究国内开展较少。
        本文以理想管线水平向屈曲解析解为基础，通过理论分析建立数值计算方法，结合实际工程对管线发生一阶模式、二阶模式水平向屈曲的可能性进行分析，并对管土间摩擦系数对
管线水平向屈曲变形的影响进行了研究。 

3 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问题，得到的变形与温差关系曲线呈U 形，以安全温度S 点为界分为2 种类型的失稳。其中第一类失稳属于不稳定变形，在海底管线的实际工程中较难发生；而第二类失稳问题属于稳定变形，较易出现在实际工程中。
2）工程实例的分析结果表明，在2 种水平向屈曲的主要模式中，第一种模式对应的安全温度略高于第二种屈曲模式，说明实际中第二种屈曲模式更易发生；2 种变形模式对应的管线应力计算表明，第一种模式得到的管壁中应力明显高于第二种模式，说明了该种模式下管线材料更易屈服。
3）地基土体与管线的摩擦力是管线水平向屈曲分析中的唯一约束条件，因此管土间作用力的大小显著影响管线的屈曲形态。通常，摩擦系数越大，地基土与管线的约束力越大，则管线发生屈曲对应的安全温度越高。
 

参考文献
[1] Hobbs R E In service buckling of heated pipelines [J]. Journal of Transportation Engineering, 1984, 110(2):175-189.
[2] Lyons C G. Soil resistance to lateral sliding of marine pipelines[C]// Offshore Technology Conference .Dellas，Texas，1973: 479-482.
[3] Talor N, Gan A B. Refined modelling for the lateral buckling of submarine pipeline [J]. Journal of Construct Steel Research, 1986,6(2): 143-162.
[4] Schotman G J M. Pile-soil interaction: a model for laterally loaded pipelines in clay[C]// Offshore Technology Conference. Houston， Texas, 1987: 317-324.
[5] Preston R, Drennan F, Cameron C, et al. Controlled lateral buckling of large diameter pipeline by snaked
lay[C]//Proceedings of the Ninth(1999) International Offshore and Polar Engineering Conference. Brest, France,1999: 58-63.
[6] Peek R, Yun H. Flotation to trigger lateral buckles in pipelines on a flat seabed [J]. Journal of Engineering Mechanics, 2007, 133(4): 442-451.