海洋柔性管

　　在不同服役条件下，钢带增强柔性管、非粘结柔性管及玻纤增强柔性管都有其各自的特点及优势。本书主要分为三个篇章：第1篇着重介绍了钢带增强柔性管，分别研究了钢带增强柔性管抗压溃能力、抗扭转能力、抗弯曲能力、爆破压力、拉伸性能，带有扣压式接头钢带管应力集中效应，钢带增强柔性管接头密封性能、可靠性安全系数。第2篇主要论述了非粘结柔性管，分别介绍了非粘结柔性管受限外压稳定理论、受限压溃数值、受限压溃试验，不同水深下非粘结柔性管结构设计，不同内径下高压非粘结柔性管结构设计，非粘结柔性管拉伸性能，新型柔性管截面设计及柔性管缠管分析。第3篇介绍了玻纤增强柔性管，分别论述了玻纤增强柔性管抗内压强度、抗拉强度、抗外压强度、抗扭转能力、最小弯曲半径及截面设计。

　　白勇，江西抚州临川人，现任浙江大学建工学院结构工程研究所教授/博士生导师。2009年浙江省“百人计划”引进人才，2010年国家第五批“QIAN人计划”引进人才，2017年当选美国造船与轮机工程师协会（SNAME）会士，2018年当选挪威技术科学院院士。1989年在日本广岛大学取得海洋结构博士学位，先后在丹麦技术大学、挪威科技大学和加州伯克利大学从事船舶与海洋工程领域博士后教学科研工作，发表论文近200篇，英文学术专著8本，中文合著8本。主要研究领域：海洋工程结构、海洋管道与立管、工程风险分析和安全评估、复合材料管、海洋石油水下生产系统、海洋工程钻井机械、海洋风能与潮流能、水下无人机器人及动力定位系统等。主要专著：《Subsea Engineering Handbook》《Subsea Pipeline Design， Analysis， and Installation》《Subsea Pipeline Integrity and Risk Management》《Marine Structural Design， 2nd Edition》《Flexible Pipes》《海上风力发电》《水下生产系统手册》《海洋立管设计》《海洋结构工程》《复合材料柔性管》等。现担任国际海洋力学与极地工程OMAE管线会议学术成员，马来西亚国家石油公司海底管道与立管培训导师，英国FLEMING EUROPE公司柔性管线和立管的完整性管理课程讲师，新加坡UNI STRATEGIC公司海底管道与立管课程讲师； 《船舶与海洋工程》常务理事，《International Journal of Ships & offshore Structures》编委；曾担任“长江学者奖励计划”评审、“青年QIAN人计划”通讯评审、“青年拔尖人才支持计划”评审、海洋工程科学技术奖评审、浙江工业大学人才类项目评审、福建“百人计划”评审、宁波杭州湾新区高层次人才评审。 邵强强，浙江丽水人，现就读于浙江大学建工学院结构工程专业，主要研究非粘结柔性管在不同工况下的力学性能及截面设计。

第1章海洋柔性管概述1

1.1柔性管分类和特点3

1.2柔性管典型结构4

1.2.1钢带增强柔性管典型结构5

1.2.2非粘结管典型结构7

1.2.3玻纤增强柔性管典型结构8

1.3柔性管结构分析现状10

参考文献11

第1篇钢带增强柔性管

第2章钢带增强柔性管抗压溃能力15

2.1试验研究17

2.1.1管道材料性质17

2.1.2压溃试验19

2.1.3试验结果20

2.2有限元数值模拟21

2.2.1网格及接触面21

2.2.2荷载及边界条件22

2.2.3结果讨论23

2.3压溃压力简化估算公式25

2.4参数分析27

2.4.1初始缺陷影响27

2.4.2几何构型影响29

2.4.3摩擦系数影响30

2.5本章小结31

参考文献31

第3章钢带增强柔性管抗扭转能力33

3.1试验研究35

3.1.1试验设备和试件制作35

3.1.2试验步骤和试验结果36

3.2整管试验38

3.2.1试验设备和样管制作38

3.2.2试验步骤和试验结果39

3.3纯扭转有限元模拟40

3.3.1材料性能41

3.3.2几何构造41

3.3.3坐标系和荷载步41

3.3.4网格划分和接触定义42

3.3.5荷载和边界条件43

3.3.6结果讨论43

3.3.7HDPE层力学分析45

3.3.8钢带层力学分析47

3.4参数分析50

3.4.1轴向约束影响50

3.4.2钢带布置影响51

3.4.3摩擦系数影响51

3.4.4轴向荷载影响52

3.5本章小结53

参考文献54

第4章钢带增强柔性管抗弯曲能力55

4.1有限元分析57

4.1.1模型和材料特性58

4.1.2载荷和边界条件58

4.1.3分析结果58

4.2力学特性研究和讨论59

4.2.1聚乙烯内管道层59

4.2.2聚乙烯外管道层60

4.2.3钢带层61

4.3本章小结61

参考文献62

第5章钢带增强柔性管爆破压力63

5.1试验研究65

5.2理论模型与有限元模型68

5.3有限元分析与讨论69

5.3.1爆破压力对比69

5.3.2增强层中应力分析70

5.3.3内外层HDPE应力分析71

5.4参数分析72

5.4.1径厚比72

5.4.2摩擦系数73

5.4.3增强层厚度73

5.4.4增强层缠绕角度74

5.5本章小结74

参考文献75

第6章钢带增强柔性管拉伸性能77

6.1试验研究79

6.1.1试验步骤79

6.1.2试验结果分析80

6.2有限元数值模拟83

6.2.1单元及接触条件84

6.2.2荷载及边界条件84

6.2.3材料参数输入84

6.2.4试验及有限元结果对比85

6.3理论模型89

6.3.1基本假设89

6.3.2钢带层力学模型91

6.3.3内外层PE力学模型93

6.3.4轴对称力学模型96

6.4结果讨论96

6.4.1有限元模型建立96

6.4.2C1模型对比分析97

6.4.3C2模型对比分析99

6.4.4C3模型对比分析100

6.5本章小结101

参考文献102

第7章内压荷载下带有扣压式接头的管道应力集中效应103

7.1材料简化模型106

7.1.1材料特性分析106

7.1.2材料应力应变关系107

7.1.3边界条件108

7.1.4数值迭代模型108

7.2管道/接头理论模型109

7.2.1层间挤压力计算模型110

7.2.2管壁位移应变关系110

7.3实例分析115

7.3.12英寸四层增强层钢带管115

7.3.22英寸六层增强层钢带管116

7.4参数分析118

7.4.1径厚比118

7.4.2增强层缠绕角119

7.4.3增强层厚度120

7.5本章小结121

参考文献121

第8章螺栓法兰式接头密封性能125

8.1密封结构形式128

8.2密封圈应力分析130

8.3接触压力分析132

8.4密封圈结构优化设计133

8.5工作状态下密封性能分析136

8.5.1内压荷载下密封性能分析136

8.5.2外压荷载下密封性能分析139

8.6本章小结140

参考文献141

第9章钢带增强柔性管可靠性安全系数143

9.1安全系数计算过程145

9.2外压作用下安全系数的矫正147

9.2.1随机模型147

9.2.2结果讨论149

9.3不同分布类型的影响151

9.3.1NN分布152

9.3.2LNLN分布154

9.3.3LNGumbel分布155

9.3.4结果讨论156

9.4推荐使用设计安全系数157

9.5本章小结159

参考文献160

第2篇非粘结柔性管

第10章非粘结柔性管受限外压稳定理论163

10.1圆管经典稳定理论165

10.2含缺陷圆管弹塑性稳定理论168

10.3受刚性限制圆管稳定理论169

10.4受弹性限制圆管稳定理论174

10.5本章小结176

参考文献176

第11章非粘结柔性管受限压溃数值179

11.1受限弹性内层压溃数值研究181

11.1.1研究方法181

11.1.2数值分析建模要点183

11.2受限弹性等效长管压溃数值分析184

11.2.1受限等效长管模型184

11.2.2抗弯刚度比对受限压溃的影响185

11.2.3受限等效长管模型压溃模态分析187

11.2.4径厚比对受限压溃的影响189

11.2.5数值计算结果与解析解的比较190

11.3受限弹性螺旋结构压溃数值分析191

11.3.1受限螺旋结构压溃模型191

11.3.2抗弯刚度比对受限压溃的影响192

11.3.3受限螺旋结构压溃模态分析195

11.3.4径厚比对受限压溃的影响196

11.4本章小结198

参考文献198

第12章非粘结柔性管受限压溃试验199

12.1材料试验203

12.2压溃试验205

12.2.1试验过程206

12.2.2试验结果207

12.3试验管段的数值模拟210

12.3.1试验管段有限元模型210

12.3.2试验管段有限元结果212

12.4试验结果与理论解的比较213

12.5本章小结214

参考文献214

第13章不同水深下非粘结柔性管结构设计217

13.1结构设计简介219

13.2解析方法220

13.2.1初始缺陷220

13.2.2骨架层屈曲222

13.3数值模型223

13.4结果讨论225

13.5本章小结230

参考文献231

第14章不同内径下高压非粘结柔性管结构设计233

14.1解析方法235

14.1.1聚合物层236

14.1.2螺旋缠绕钢质层237

14.1.3管道整体刚度矩阵239

14.1.4爆破失效准则239

14.2有限元分析240

14.3结果讨论243

14.4结构设计245

14.5本章小结248

参考文献248

第15章非粘结柔性管拉伸性能251

15.1拉伸性能概述253

15.2理论模型254

15.2.1抗压铠装层力学模型254

15.2.2抗拉铠装层力学性能256

15.2.3整体力学性能257

15.3数值模型258

15.3.1抗压铠装层刚度258

15.3.2管道整体260

15.4结果讨论262

15.5案例分析265

15.6本章小结266

参考文献266

第16章新型柔性管截面设计269

16.1截面设计概述271

16.2非粘结柔性管算例分析272

16.2.1有限元分析275

16.2.2结果讨论277

16.3钢带增强柔性管算例分析278

16.3.1有限元分析279

16.3.2结果讨论281

16.4本章小结281

参考文献281

第17章柔性管缠管分析283

17.1缠管概述285

17.2局部模型分析287

17.2.1拉伸模型287

17.2.2扭转模型289

17.2.3弯曲模型289

17.3卷管整体模型290

17.3.1整体模型几何尺寸291

17.3.2网格划分和接触定义291

17.3.3荷载步和边界条件291

17.3.4模拟结果分析292

17.4参数分析294

17.4.1卷筒外径影响294

17.4.2下沉距离影响295

17.4.3上卷长度影响296

17.4.4护套位置影响297

17.5本章小结299

参考文献299

第3篇玻纤增强柔性管

第18章玻纤增强柔性管抗内压强度303

18.1数值理论305

18.1.1基本假设305

18.1.2理论分析305

18.1.3边界条件308

18.2有限元仿真模拟计算309

18.2.1材料参数309

18.2.2有限元模型310

18.2.3仿真结果310

18.3短期爆破内压试验313

18.3.1样管参数313

18.3.2试验设备314

18.3.3试验步骤314

18.3.4试验结果315

18.4结果讨论317

18.5参数分析319

18.5.1缠绕角度319

18.5.2径厚比319

18.5.3加强层数320

18.6本章小结320

参考文献321

第19章玻纤增强柔性管抗拉强度323

19.1数值理论325

19.1.1基本假定325

19.1.2截面简化326

19.1.3轴向变形326

19.1.4截面变形327

19.1.5体系平衡方程329

19.1.6数值求解方法329

19.2试验研究330

19.3有限元研究332

19.3.1几何模型332

19.3.2材料参数334

19.3.3耦合作用及边界条件334

19.4结果讨论335

19.4.1轴向荷载轴向位移曲线335

19.4.2截面变形336

19.4.3材料贡献度337

19.4.4玻璃纤维应力337

19.5参数分析338

19.5.1纤维缠绕角度338

19.5.2纤维数量339

19.5.3径厚比339

19.5.4内衬层和外保护层厚度340

19.6本章小结341

参考文献341

第20章玻纤增强柔性管抗外压强度343

20.1数值理论345

20.1.1基本假设345

20.1.2材料简化模型345

20.1.3运动方程347

20.1.4虚功方程347

20.1.5数值计算348

20.2有限元分析350

20.2.1几何参数和材料性能350

20.2.2有限元模型350

20.2.3计算结果351

20.3外压试验352

20.3.1材料试验352

20.3.2试验过程354

20.4结果讨论357

20.5参数分析357

20.5.1初始缺陷358

20.5.2几何构型360

20.5.3材料性能362

20.6本章小结363

参考文献363

第21章玻纤增强柔性管抗扭转能力365

21.1试验研究367

21.2数值理论369

21.2.1基本假设369

21.2.2理论模型370

21.2.3坐标系370

21.2.4边界条件372

21.2.5几何非线性373

21.3有限元研究373

21.3.1几何参数和材料性能373

21.3.2有限元模型374

21.4结果讨论376

21.5参数分析377

21.5.1缠绕角度377

21.5.2径厚比378

21.5.3加强层厚度379

21.6本章小结380

参考文献380

第22章玻纤增强柔性管最小弯曲半径381

22.1弯曲试验383

22.1.1试验装置383

22.1.2材料属性及几何参数385

22.1.3试验过程385

22.1.4试验结果386

22.2非线性屈曲理论386

22.2.1基本假设386

22.2.2运动方程387

22.2.3材料简化模型388

22.2.4虚功方程389

22.2.5理论解法390

22.3有限元研究391

22.3.1有限元模型391

22.3.2计算结果393

22.4结果讨论394

22.5参数分析395

22.5.1椭圆度395

22.5.2径厚比395

22.6本章小结396

参考文献396

第23章玻纤增强柔性管截面设计399

23.1相关术语401

23.2管道基本结构402

23.2.1总体结构402

23.2.2材料性能402

23.3强度失效设计标准403

23.3.1爆破压力403

23.3.2内压弯矩下的爆破压力404

23.3.3屈服拉力404

23.4失稳设计的失效准则405

23.4.1最小弯曲半径405

23.4.2外压失稳压力406

23.5泄漏失效设计准则406

23.6本章小结406

参考文献407