随着人类对深海海洋资源开发工程的进展,越来越多的深水海底管道投入使用。深水海底管道一般采用不埋设方式铺设于海底。在输油过程中,管道承受100°以上高温作用和管道内部高压作用。高温和高压引起的轴向压力可能导致不埋设的海底管道发生不可控的侧向屈曲,从而导致管道屈服或压溃破坏,造成巨大的直接和次生灾害,特别是对于海洋环境的严重污染。我国南海千米的深水中,已经发现了丰富的油气储量,如何通过海底管道安全的输送深海石油,是摆在我们面前的理论和工程实际课题。这需要深入系统地研究高温高压作用下海底管道的整体屈曲机理,探索控制管道风险和确保安全的技术措施。本文基于深水不埋设海底管道,研究高温高压下管道的屈曲变形、应力分布,以及不同因素对海底管道屈曲的影响,分析控制管道屈曲的技术措施,对于保证深水海底管道的安全运行,减少管道的运行风险,对于油气输送过程风险实施有效控制,严防重大事故发生,具有重要的理论意义与工程价值。本文作为国家“973”项目(2014CB046805)子课题“深海管线整体屈曲变形控制理论研究”的重要组成部分,旨在研究深水管道高温高压下的屈曲机理及失效规律,揭示不同因素对于屈曲变形的影响,采用数值模拟及试验方法详细、系统地研究管-土相互作用及土抗力对屈曲位移和应力的影响,同时研究不同控制措施对于屈曲控制的机理及有效性。获得深水海底管道屈曲破坏失效规律,从而为海底管道实施更加有效的屈曲控制措施奠定理论基础。论文的主要研究内容如下:(1)研制了大比尺管-土相互作用试验槽,此试验槽可用于测量管道在大幅侧向运动过程中的垂向位移、水平位移和受到的水平抗力。采用大比尺模型试验方法,研究了部分嵌入砂土的管道与海床之间的相互作用,考虑了部分嵌入砂土的管段在大幅侧向运动过程中的响应。针对不同的管道重量和不同的管道初始嵌入深度,共实施了28组试验,研究其对管-土相互作用模型的影响规律。试验结果表明,作用在管道上的侧向破土抗力和管道的运动轨迹依赖于管道重量和管道的初始嵌入深度,而残余抗力只受管道重量的影响。另外,根据管道初始嵌入深度的不同,将管道在侧向运动过程中受到的侧向土抗力理想化为两种土抗力模型。对于初始嵌入深度较小的管道,可以将其理想化为四线性土抗力模型;对于初始嵌入深度较大的管道,可以将土抗力简化为三线性土抗力模型。最后,根据管道在大幅侧向运动过程中的受力机制提出了一种新的计算残余抗力的公式,并将其计算结果与试验结果进行了对比,吻合较好。(2)采用非线性管-土相互作用模型,对高温高压管道进行侧向屈曲分析,此模型可以考虑非线性管-土相互作用和侧向破土抗力的影响。首先采用打靶法求解侧向屈曲的数值解,研究了管道运行温度和破土抗力对屈曲构型、管道中的弯曲应力、侧向位移幅值、管道中的最大应力的影响规律,并分析了不同因素对于管道最大应力的影响。结果表明,考虑破土抗力后,管道中的临界屈曲载荷升高,管道中的最大应力增大,管道更加容易失效。因此,在侧向屈曲分析中,如果不考虑破土抗力,管道失效风险将增加。(3)建立了可控制侧向屈曲的海底管道模型,并求出了解析解。研究了相邻屈曲管段之间的相互作用和侧向土抗力对可控制的侧向屈曲的临界屈曲载荷及后屈曲响应规律。结果表明,减小轴向缩进区域的长度或侧向土抗力越小,管道中的最大应力越小。(4)建立了采用分布浮力单元控制海底管道的侧向屈曲模型,并求出了其解析解,研究了分布浮力单元的长度和重量对侧向屈曲构型、侧向屈曲特性、最小临界温度梯度等的影响,并讨论了初始缺陷对侧向屈曲的影响。结果表明,增加分布浮力单元长度或者降低重力比都可以有效地降低最小临界屈曲温度,管道中的最大压应力随着分布浮力单元的重力比减小而减小。(5)建立了采用枕木控制海底管道的侧向屈曲的模型,并求出了其解析解,研究了枕木高度和枕木摩擦系数对后屈曲特性的影响规律,并对最小临界屈曲温度、侧向位移幅值、最大应力等进行了更加深入的参数分析。结果表明,增加枕木高度或者降低枕木摩擦系数都可以降低最小临界屈曲温度,建立了最小临界屈曲温度与枕木高度和枕木摩擦系数之间的关系表达式。