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有限元在海底管道设计中的应用研究

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有限元 海底 管道 设计 中的 应用 研究
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轴⑨ 天毕夫薯硕士学位论文学科专业: 船舶与海洋结构物设计制造作者姓名:王猛指导教师: 余建星教授工浊—■圭耸Z"/过海底管道把海洋油田的整个油气集输、贮运系统联系起来,也使海洋油田与整个石油工业系统联系起来。随着我国海洋油田进一步开发,海底管道需要量会大大增加。海底管道设计是海底管道工程中的重要组成部分,没有良好的设计作为基础,会严重影响工程质量,施工建造和运营将变得毫无根据。自1985年以来,我国不断学习国外的先进技术,逐渐掌握了海底管道设计技术,设计水平不断提高,但相对于国外先进水平仍有很大差距,主要体现在没有将已经成熟的理论和先进的设计工具应用于实际工程之中。目前国内外海底管道设计使用的设计工具为根据设计标准编制的外有限元分析应用于设计过程中的广度和深度都优于国内。国内使用的有限元程序为分有限元程序编制时间较早,采用通用的输入方法,没有考虑模型自身特点,因此分析结果误差较大。本文的主题是致力于将有限元分析理论和有限元分析软件应用于海底管道设计的应用研究。论文中以实际工程为例,进行了这方面的研究。首先以海底管道的立管吊装为研究对象,基于有限元理论,首次使用以通过建模、求解和后处理三个过程对海底管道进行规范化的设计。比较管吊装的最大应力点相同,次,对海底管道中经常出现交叉管道进行了分析。由于新建管道需要在三条已建管道上铺设,能否确保新旧管道的安全,是很重要的问题。因此本文使用行了有限元分析。分析表明,通过调整水泥垫块的厚度,减小管道弯曲程度,能保证新建管道应力控制在许用应力范围内。此外,对使用铺管船法的铺设管道模型中的边界条件进行了重点研究,提出了将管道理想化为受分布载荷连续梁,并使用弹簧单元模拟管道铺设模型中的边界条件的方法。关键词:有限元海底管道立管吊装交叉管道管道铺设is of of is a of is no of as of 985,of is by to EA)in of in a of of is in to ne of is to EA EA of he on by EA on on is a EA in to in is ND’s he EA is is to is he E he is is in by to is on of is by 了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得墨洼基堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:五彩 签字日期: 用学位论文的规定。特授权墨壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:气茅铉 导师签名:签字日期:字日期:眵』—年堂堡笙苎 兰二皇亘堕1.1海底管道设计现状第一章前言海底管道的起源和发展,在国际上已有较长的历程,从1954年在美国的墨西哥湾由世界各近诲海域成功地铺设了无数条各种用途和各种结构类型的海底管道。虽然海底管道在世界范畴已得到广泛应用,海底管道已经成为海上油气田开发工程中的重要环节,但由于技术复杂、投资高、风险大,在1985年以前,海底管道在中国近海还是一项空白。1985年9月,在渤海埕北油田,首次按国际通用标准和程序成功地铺设了一条内管直径152.4毫米、外管直径304.8毫米、长1.6公里的海底输油管道。限于当时的条件,这条管道采用在基地预制组装,分四段由拖轮在水面浮拖到油田现场,然后进行海上连接而成。在1988年9月,首次在渤海油田铺设成功了两条1.65公里海底输油管道。虽然这两条管道结构型式和内、外管管径都与埕北管道一样,但由于管道功能不同,所以管道结构形式仍然有差别。埕北管道用于输送井口平台处理过的原油,设计内压为1.57于低压管道;而的两条管道是分别将南、北井口平台产出的油流,靠油层压力直接输至单点系泊的浮式生产贮油装置上进行处理和外输。管内是油、气、水混输,设计内压达20.7以管道壁厚比埕北管道要厚。1989年/4油田铺设了两条输油管道和两条高压注水管道,输油管道的结构设计中使用了保温结构,四条管道的管径均不相同,总长度达8.4公里。1990年底,又完成了从凝析气田到辽宁锦西海岸登陆的中国第一条海底长距离输气管道的铺设。这条管道外径304.8毫米,配有50毫米厚混凝土配重层,其中在近岸段有5公里管道为70毫米,管道总长48.6公里。为了铺设这条管道,滨海109铺管船增设了新的托管架。采用岸上设绞车,进行近岸段施工。由于滨海109船受吃水限制,抛锚停泊在距离海岸1.3公里的海上。管道在铺管船上组对,由岸上绞车从海底牵引。为了减少拖力,采取在管道附加浮筒的措施。1991年9月,建造完成了凝析气田内部的集气管道,是为将南平台采出的天然气输至中北平台。为了将在中北平台回收到的乙二醇防冻液送回南平台重复使用,决定在宜径203.2毫米输气管道上附加上一条直径50.8毫米的输送乙二醇化学剂的小管径管道。设计过天津人学硕士学位论文 第一章前言程中决定使用将50毫米管道绑在一起进行铺设的方案。这是一种“子母管”结构的海底管道,在中国尚属是第一次。近年来,在渤海地区之外的海域又新建了许多输油输水管道。海底管道已成为海洋工程中不可缺少的重要组成部分。海底管道设计特点大致如下:1.管道设计必须遵循计和旌工都必须经过第三方检验认证。2. 管道所使用的钢材一般为了便于清管作业,管壁厚均保持一致。在强度要求较高的区域(2区),基本上采用提高钢材级别的作法以满足强度要求。3.海底管道截面结构从内到外顺序大致包括:内防腐涂层、钢管、外防腐涂层、绝缘层、水泥配重层。具体管道的结构和上述各层的厚度要求会根据海洋环境的不同和设计要求的不同而有所变化和调整。4.管道防腐:内壁防腐采用增加管壁腐蚀余量以及操作期注入缓蚀剂的作法。管壁的外防腐均采用防腐涂层与牺牲阳极相结合的作法。5. 目前海底管道主要铺设在浅水海域,用现有的铺管船进行铺设时,所产生的管道应力均在强度限度之内,铺设过程中未发生屈曲破坏的现象。十几年来,随着在海洋工程中我国和国外公司的不断合作,目前已经掌握了海底管道设计技术,设计水平也在不断提高。但相对于国外设计水平仍有一段差距。尤其在海底管道设计中的某些环节,如前期的模拟研究、波浪和地震等因素对海底管道的影响,仍是需要进一步研究的课题。在与美国德士古石油公司联合开发的中国东海平湖油气田工程中,委托J.P.于海底管道中输送的湿天然气属于两相流动(台风期间还要混合输送凝析油),涉及许多相互作用的复杂过程,需对其流量波动、出口压力、气液比、温度分布和所需管道的入口压力、天然气的持液量、段塞流进行分析计算,以确定最佳的管道流动状态和最佳参数。为在前期研究中解决这些重要问题,该公司在这项工程中使用了很多我国未掌握的先进技术。例如,进行了海管流体模拟、流相模拟、潮湿天然气管道水化物形成的可能性和瞬态流分析等研究,并进行了管道强度计算(包括铺设强度分析),管道稳定性设计(含在海床上的垂向稳定性、在百年一遇风暴下海底管道允许的最大跨度分析、水泥配重层计算等),管道穿越浅滩、电缆防腐蚀保护等研究设计。国外的先进经验和技术仍需要我们不断学习。天津大学硕士学11:):论文 第一章前言1.2问题的提出海底管道设计中涉及到的专业很多,包括结构、防腐、工艺、仪表和电器等。每个专业中的问题也很多,本论文主要针对海底管道结构设计进行研究。海底管道设计作为一项系统工程一般分为两个阶段进行:基本设计和详细设计。随着计算机技术、固体力学和数值分析科学的飞速发展,有限元分析理论已成为工程数值分析的强大工具,尤其在固体力学和工程结构分析的领域内,有限元法取得了巨大的进展,许多通用程序和专用程序投入实际应用,利用这些程序成功地解决了一大批有重大意义的问题。实践不断证明,有限元是解决工程问题的有力工具。但相对于有限元分析在国外的广泛应用,国内在有限元分析应用的广度和深度都有很大差距。海底管道吊装是海底管道设计和施工中的一个重要问题,它是将提前预制好的立管整体吊装到立管的安装位置的过程。吊装分析要根据工程中使用的吊装船的具体特点,分析吊装立管过程中立管和吊绳所受应力情况,以确保在吊装过程中立管不受破坏保持完好无损。目前国内立管吊装分析主要采用用通用的输入方法,无法模拟弯管,只能将弯管理想化为两个直管段代替,没有考虑模型自身特点,因此对计算结果准确性有影响。本文使用于立管吊装与海底管道工程中,管道交叉的情况经常出现。即在已有管道上重新铺设新管道。这种情况下,既需要对既建管道进行保护,确保新建管道的安全和不受破坏。本文基于有限元理论,使用道铺设也是海底管道设计和施工中的一项重要工程阶段。目前管道铺设主要使用的方法是铺管船法。管道铺设是将已经预制好的管段在铺管船上进行连接,铺管船在铺管起始点锚泊定位,然后进行连续铺设,将管道铺设在海底预定位最的过程,因此管道铺设在海底管道设计和施工中占有相当重要的地位。国内外的学者已经对管道铺设过程中管道的应力、应变和变形曲线规律进行了研究,其中也有使用有限元法对其进行分析和研究。使用有限元法对管道铺设进行分析的重点在于确定边界条件,目前对管道铺设边界条件的研究已经取得了重要的结论和成果,但还未达到很理想的地步,主要问题在于管道铺设的有限元模型的的边界条件很难确定。本文提出了把管道理想化为受均布载荷的连续梁,基于伯努力梁理论,推导出了管道的静力平衡方程,并提出了使用弹簧接触单元模拟边界条件方法。天津大学硕士学位沦文 第一章有限元基本理论2.1概述第二章有限元基本理论有限元(思想在1943年,由限元法首先由特纳(人在研究飞机机翼结构时提出,他对平面应力问题进行了研究。后来这种方法迅速发展应用于杆系、板、壳的弯蛆及其他二维蚵题以及稳定性问题。60年代初期,国内外数学家和工程师们,从不同的角度差不多同时提出有限元这一名词。有限元在工程计算数学和应用数学界迅速的发展。奠定了有限元的数学基础。从不同发展角度看,有限元法是从两个不同的方面发展起来的。工程师们习惯从物理模型出发,根据物理特性和力学原理来研究问题和解决问题,他们把所研究的连续体离散成有限个单元体,并把它看成是相互联系的单元所组成的整体,然后运用能量原理来寻找平衡点,从连续体直接离散化,列出计算公式,形成线性代数方程组,再求数值解。有限元法的这种近似是属于物理模型的近似,因为它是通过变换近似代替连续体,具有明确的物理意义:另一方面,数学家从数学模型出发,利用变分原理将偏微分方程边值问题或初值问题化为等价的变分问题,然后再用后这种方法在古典变分法的基础上建立了自己的理论基础,是一种有效的数值方法。有限元法的主要特点是概念浅显并易于掌握。既可以从直观的物理模型来理解,也可以按严格的的数学逻辑来研究,适应性强,应用广泛。不仅能成功解决应力分析中的复杂边界分析,非线性,非均匀材质,动力学等难题,还可以推广到解答物堙方程的其他边界值问题,如热传导电磁场立体力学等领域的问题。普遍采用矩阵形式的基本公式,便于计算机程序的实现。有限元分析(基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每~单元假定一个合适的和较简单的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。由于实际问题被较简单的问题所代替,所以这个解是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根奉区别在于它的近似性仅限有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限天津人学硕士学位论文 第二章有限元基本理论于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(授形象地将其描绘为:“有限元法一片函数”,即有限元法是同于求解满足整个定义域边界条件的允许函数的限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数),且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题,有限元求解法的基本步骤是相同的,只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为:第一步:问题及求解域定义:根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步:求解域离散化:将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域,习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好,计算结果也越精确,但计算量及误差都将增大,因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步:确定状态变量及控制方法:一个具体的物理问题通常可以用~组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示,为适合有限元求解,通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步:单元推导:对单元构造一个适合的近似解,即推导有限单元的列式,其中包括选择合理的单元坐标系,建立单元试函数,以某种方法给出单元各状态变量的离散关系,从而形成单元刚度矩阵。为保证问题求解的收敛性,单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言,重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如,单元形状应以规则为好,畸形时不仅精度低,而且有缺秩的危险,将导致无法求解。第五步:总装求解:将单元阿0度矩阵总装,形成离散域的总刚度矩阵。这反映了对近似求解域的离散域的要求,即单元函数的连续性要满足~定的连续条件。总装是在相邻单元节点进行,状态变量及其导数(如果可导)连续性建立在节点处。第六步:联立方程组求解和结果解释:有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量,将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。随着有限元理论和有限元分析方法的不断成熟,大量的有限元分析程序应用实践之中,如用这些程序成功地解决了一大批有重大意义的问题。查造查堂堡±堂堡堕兰 笙三童塑里歪苎查!呈堡2.2有限元计算原理弹性力学的经典理论给出了弹性物体在给定载荷和给定位移边界条件下,处于静力平衡下位移和应力分布规律。设弹性体V,体内受给定力{F)2(y,F:)7,取弹性体内一单元,其位移,应力和应变表示如下:(u,v,W)‘ (2o}=(ok,oy,y,o科,a”, (2£)=(£y2,(2互等定理应力矢量简化为{a)《o。,q,a:,魄y,a”, (2此共15个未知量,弹性力学理论给出几何方程,物理方程和平衡方程。弹性小变形条件下应变和位移的关系是线性的。几何方程:{£}=【B】{u} (2—5)【一砂a。●——盘(2—6)对于线性各向同性材料,应用胡克定律导出应力和应变关系。物理方程:{o)爿D】{£) (22揣l 0 0 0 0 0 0 0 0 01一v』L』L 1 0 0 0o o 0上旦0 一o o 一v)o o o 0 ·8)三里塑里垂墨奎堡堡弹性体内微小单元由静力平衡导出平衡方程:堕+堕+旦!里+F:0良 咖 出丝+堡+笠+F.:08x 卸 蔓+堕+堕+P:0 (2—9)缸砂 瑟 ‘共得出15个方程,再加上位移边界条件和面载荷边界条件可求得位移、应力和应变15个未知量。力学中常用的位移法即从以上方程导出位移与应力关系式:{a)=【]{2。10)从数学观点看,这些方程可解。但对于复杂受力状况的平衡问题,特别是几合形状复杂的弹性体,要想找到准确的解析解,数学上困难很大,甚至不可能,因此,就通过数值方法得到方程的数值解。有限元法就是一种数值解法。有限元法是把弹性体离散为有限个单元,即认为弹性体是有限个单元的组合体,对每个单元用李兹法来求位移与力之阃的关系,即求单元的刚度矩阵。因此有限元法是一种基于变分原理的把连续体离散化的数值解法。它可以方便地解决复杂的结构形式及复杂载荷及边界条件问题,亦能处理非均匀材料及非线性应力应变状态的结构问题。有限元方程~般由虚功原理导出。虚功原理可表述为外力虚功等于内力虚功或虚应变能。因此数学方程式如下:5U=5W (2U=I{靡}7{G}d((2W=I{出)7{F}d(I{却.)1{p}d((2此f{品}7{盯)d(f{国)7{,)d(+r(国。)7’{p}a((2.14)以上方程为线弹性单元的方程,实际情况中还会有其他载荷如温度应力。将公式中的位移、应力和应变变量由公式(2—5),(2—7)代入。可得如下公式:&西1)7【曰】7【D]【丑】{“)d(;f{出)7{F}d(f{积。)7’{p)d(西}7 f【B】7【D】陋W({“);{国)7 f(F矽(+{蹴)7 fⅣ。7{p}d([曰】7[ld(Ⅳ)=f{F)d(p}d(2—15)(2—15)简化为下式F (2一16)【【捌。【]d((2·17)圣堡奎堂堡±堂垡望奎 笙三主蔓堡墨墨查堡垒公式7)中即为单元刚度矩阵的表达式。从公式(2以看出单元刚度矩阵与材料的弹性模量、泊松比、位移函数有关。弹性模量和泊松比为材料的固有属性,位移函数的选择会影响有限元解的收敛性。如果位移函数为线性函数,单元节点连接时可确保单元边完全吻合,即单元之间没有空隙或重叠的情况出现,这种情况称为单元位移协调。另一方面,由常位移求得的应变为常数,所以应力也为常数,这会导致相邻单元应力应变不连续。2.3使用有限元分析软件进行有限元分析可以大大提高分析效率。体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国能与多数现数据的共享和交换,如—现代产品设计中的高级用处理、求解和后处理。对应三个分析阶段,处理模块、求解模块和后处理模块。2.3.1前处理模块(处理模块主要实现三个功能:参数定义、实体建模和网格划分。1.参数定义:首先要对所被建模型材料进行参数定义包括单位制、单元类型、实常数、材料特性和材料库文件等。2.实体建模:高级到底级和从低级到高级两种方式进行建模。对于一个有限元模型,图元的等级从低到高分为:点、线、面和体。从高级到底级建模是先直接建立高级图元,、线和关键点)。从低级到高级建模实现建立低级图元逐步生成高级图元。这两种方式不是绝对的,在实际建模过程中需要交替使用两种建模方式。此外.网格划分:从功能上分,程序网格划分包括四种方式:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。天津人学硕十学位论文 第二章有限元基本理论2.3.2求解模块(解模块式程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解的。在此阶段,用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。1.定义分析类型根据载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。分析选项可以自定义分析类型。如定义求解方法,应力硬化以及.载荷载荷包括边界条件(约束、支撑或边界场参数)和其他外部或内部作用载荷。自由度(束●力●表面分布载荷●体积载荷●惯性载荷●耦合场载荷3.指定载荷步载荷步选项是用于更改载荷步的选项,如予步数、载荷步的结束时间和输出控翻。载荷步选项根据所作分析的类型确定。结构静力分析●结构动力分析●结构屈曲分析●结构非线性分析●热力学分析●电磁场分析·声场分析·压电分析●流体动力分析2.3.3后处理模块通过该模块可获得计算结果并对结果进行运算。用后处理器(时间历程后处理器(结构文天津大学硕士学位论文 第二章有限元基本理论件的输出形式有图形显示和数据列表显示两种。2.3.4 建立智能分析的手段为用户提供了自动完成上述循环的功能。程序的输入设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准作决定,用户实际上对任何设计或分析属性有控制权。墨堂_人兰堕主兰堡丝茎 兰三主塑堕萱堕垦生墨奎里笙3.1概述第三章海底管道设计基本理论管道输送是石油工业中应用最多的一种运输方式。海洋石油的集输管道、通往转运油库(路上管区等)或炼厂的转输管道,联结海上储油设施(油罐、贮油浮筒或临时储油船等)和海上石油装卸码头等多采用管道作为运输手段。海底输油管道是海洋油田生产系统中的一个重要组成部分。通过海底管道把海洋油田的整个油气集输、贮运系统联系起来,也使海洋油田与整个石油工业系统联系起来。随着我国海洋油田相继开发,海底管道需要量就会大大增加。海底管道的优点是可以连续输送,一旦铺设、投产几乎不受水深、地形等条件的限制,输油效率高、能力也大,铺设工期短、投产快,这对海洋油田的集输系统是必不可少的。它的缺点是管道处于海底,多数又是埋设在海底中一定深度,检查维修保养困难,有时甚至是不可能或不经济的。此外,某些处于潮差段或波浪破碎带区段的管道,特别是立管,受风浪、潮流、冰等影响较大,有时可能被海中漂浮物或船舶等撞击遭到损坏。海上油田按油气集输外运方式可以划分为码头式、单点系泊式、登陆式等。就海底管道丽言,主要有;海上油田内部的油、气集输管道和注水管道;海上油田到陆地厂和储油装置)的输油、气管道;陆地到装卸油品的系泊装置间的海底管道及连接海上岛屿与陆上处理系统的海底管道等。从结构上看可分为双层保温管道和单层管道。从输送介质可分为海底输油管道、海底输气管道、海底油气混输管道和海底输水管道等。海底管道设计的重要特点之一就是海底管道的施工技术的发展会促进海底管道设计技术改变和发展。我国海底管道的铺设,因受海洋工程发展较缓慢,且装备与技术相对落后等因素的影响而起步较晚。经过几十年的发展,我国海底管道的铺设技术已经逐步发展起来,施工范围从浅水区域逐渐向更深的水区发展,随着海域水深的增加,铺管技术也相应得到了更大的发展。到目前为止,主要方式有:浮游法、悬浮旌法、底施法和铺管船法等,铺管水深已能大于610米,铺管设备已发展到了第四代,即箱体式铺管船、半港式铺管船和动力定位式铺管船,目前主要使用的方法是铺管船法。随着海底管道铺设技术的发展,海底管道设计也必须随之改变,因为施工设备是海底管道设计的基础资料之一,设计过程中必天津人学硕十学位论文 第二章海底管道设计基本理论须考虑实际使用的施工设备,才能对海底管道进行设计。海底管道的设计通常按照国际通用规范进行。一般考虑的主要因素有:选用的设计条件、规范和规定,管道路由、海底状况、坐标及接口,管道设计寿命,操作数据及条件,管道尺寸,环境数据,钢管材料特性与外防腐和涂层等。海底管道设计主要包括:管道尺寸和壁厚设计,工艺流程分析,管道稳定性计算,膨胀位移设计,铺设应力计算,弃管与回收计算,立管设计,管道自由跨度分析及管道防腐设计等。海底管道设计是一项系统工程,要保证工程的质量,必须按部就班的进行。海底管道设计按阶段划分包括勘查、数据调查、可行性研究、设计,审查三个过程:按照专业划分包括工艺设计、结构设计、防腐设计、仪表设计和静电接地设计等。3.2海底管道勘查程序海底管道工程规模大、投资大,耗用钢材和使用船舶机具、设备多。海底管道整个规划、布鬣,完全依赖于整体工程的开发方案和规划布置。而海底管道的规划布置合理与否,也影响到整体工程开发方案和规划布罱。因此海底管道工程勘察设计是工程前期必须解决的重要问题之一。勘查过程中要解决以下问题一、工程目的和内容明确拟建海底管道工程的目的性、必要性,可根据业主要求决定。明确拟建海底管道工程的主要内容,诸如工程建设地点、范围,工程规模,建设期限,投资、材料、设备来源等。二、海底管道的资料调查与收集海底管道的建设必须对建设地点周围的水文气象、海洋条件、环境条件和海底地形地质等都要进行勘查和测量。然后才能比较合乎实际地进行海底管道的设计,拟定施工方案。此外,海底管道建成以后的运用和维修管理等也需要这方面的资料。天津大学硕士学位论文 第二章海底管道设计基本理论3.3海底管道设计程序3,3.1海底管道设计程序一监诗燃务………………………………………。中 中 串——+陆位置 一l 别万———叫堡芝堡生 』1L 设计3.3.2设计参数和基本数据海底管道设计需要很多设计参数和基本数据作为设计基础。按不同类型分,主要包括环境数据、机械数据和其它数据。环境数据是海底管道设计的重要设计天津大学硕士学位论文 第三章海底管道设计基本理论基础条件之一,应由项目的业主提供;机械数据一般由工艺设计人员经过计算提供。环境数据包括气象,海象数据(包括大气和海水的表层和底层温度,湿度,海水密度,水深和潮位,风、波浪、海流和海水的资料统计,施工区域的地震资料,海生物资料)、计划路由海域内的等深线图、土壤资料(包括地形、地图,海底纵剖面资料,钻孔土样和实验结果)。机械数据包括管道外径、输送介质温度(包括最高设计温度和最低设计温度)、输送介质密度(最大和最小密度)、内压(包括最大操作压力,设计压力和试验压力)、管道的内腐蚀裕量等。此外还需要其它一些数据,立管夹位景、立管夹的最大位移以及和根据项目特点所需的一些相关图纸。路由选择是海底管道设计中的重要内容,路由如果由项目业主规定,设计中无需改变路由。如果海底管道设计包括路由选择,则设计路由时应尽量按照以下原则进行:1.保证管道长度最小。2.避免发生管道交叉,避开障碍物、沣地和海沟。3.保持与管道无关的平台500.为保证施工方便,用常规铺管船法在开始铺设的一段,管道线路要有一定长度的直线。开沟或管道锚碇作业,两条相邻的管道应有~定的间距。5.登岸处要选择避开强流和不利地形的位置。沿线路应保持最小的水平弯曲半径,其值将由铺管可能性和清管器要求以及运行期管道应力控制的角度来确定。天津大学硕:}学位论文 第四章立管吊装分析4.1概述第四章立管吊装分析立管吊装是海底管道铺设中最复杂、技术含量最高的一个工程阶段之一。海底管道平管铺设完成后,将进行立管安装工作。立管由直管段和弯管段两部分组成,立管直管段与弯管段、弯管段与平管段之间均采用水下法兰连接。立管现场测量组对,然后将立管直管部分、弯管部分和平管部分整体焊接与预制完成后,由吊装船起吊安放在立管就位处的立管卡子内固定。然后,水下测量立管管口与平管管口距离,调整法兰进行连接。立管安装主要作业流程如下所示:立管水泥压块安装‘吊装船起锚图4四章立管吊装分析圈40立管详图.16四章立管吊装分析建立有限元模型的所需数据可从以上图纸中获得,主要包括直管和弯管的尺寸,路由等。4.2单元的选择立管吊装分析中使用了线性问题包括状态非线性、材料非线性和几何非线性等。如果结构承受大变形,它变化的几何形状可能会引起结构的非
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