深海油气管道铺设的非线性屈曲及失稳机理研究

能源安全关系到国家的经济命脉，深海油气资源开发是缓解该问题的有效途径。我国现有的设计水平、设备状况和施工作业能力均不能满足自主开发南海深水油气资源的战略目标。本项目以深海油气管道铺设过程的受力特性为研究对象，对钢质管道的非线性屈曲及失稳机理进行基础科学研究。具体内容包括：基于非线性环理论和弹塑性材料本构关系，根据虚功原理建立壁厚钢质管道的屈曲分析基本理论，开发相应的计算分析软件；利用自主研制完成的可模拟5000m水深的压力缸试验装置，开展不同初始缺陷、不同径厚比和材料性能钢管试件的屈曲比例模型试验，为理论分析和数值模拟提供验证数据；以屈曲理论分析为主，数值模拟为辅，研究不同荷载组合作用管道的屈曲模式、失稳机理和极限承载能力，建立基于应变的深海油气管道设计方法。本项目旨在管道的设计理论和方法上有所突破和创新，对提升我国深海油气管道的设计制作能力，以及确保铺设施工期间的安全性，具有重要的意义。

海底管道屈曲及失稳是深海油气管道铺设的关键科学问题。油气管道在深海铺设过程中不仅受到巨大的轴向拉力，同时也受到弯曲和外部静水压力的作用。由于复杂的受力特性，以及管道截面初始几何缺陷、材料非线性和加载路径将使管道的受力性能更为复杂。这在客观上要求深入了解其力学行为，识别管道在复杂受力状态下的屈曲失稳机理。本项目提出了基于非线性环理论的应变-位移关系和材料的弹塑性本构模型，根据虚功原理建立管道截面的静平衡状态微分方程，应用Newton-Raphson法进行位移增量的数值迭代求解，以此建立复杂荷载组合作用钢质管道的非线性屈曲失稳分析方法，并开发了相应的计算分析软件。在此基础上，利用自主研制完成的可模拟5000m水深的压力缸试验装置，开展了不同初始几何缺陷钢管试件的屈曲比例模型试验，探究管道屈曲失稳的力学行为。以屈曲理论分析为主，数值模拟为辅，基于深海油气管道铺设过程的受力特性，广泛开展了不同荷载组合作用管道的屈曲失稳分析，以全新的视角系统地阐述了加载路径、管道直径和径厚比、截面初始椭圆率和壁厚不均匀度、材料屈服应力和应变硬化模量等对管道屈曲失稳的影响。研究成果有助于从宏细观两个尺度加深对厚壁管道屈曲失稳行为的认识，从而可为深海油气管道的承载能力分析和设计提供重要的科学理论依据。目前已在国际期刊上发表SCI论文5篇，EI论文2篇，国际会议论文2篇，授权软件著作权1项。