海底管道是海洋油气资源最主要的输运方式,按照横截面结构可将其分为单层管、双层管和夹层管。随着油气资源的勘探开发逐渐向深水和超深水海域进军,深海高压环境容易诱发管道屈曲失稳,屈曲将沿轴向传播,导致整条管道失稳破坏而造成重大的经济损失。因此,开展深海管道屈曲传播机理和止屈控制研究是非常必要的。然而,深海管道尤其是双层管和夹层管的复合结构给屈曲传播的准确描述带来较大困难,屈曲穿越整体式止屈器也受到众多因素的影响,与止屈器和管道的结构以及材料力学特性均密切相关。本文旨在探究深海高压环境下油气管道的非线性屈曲传播机理及整体式止屈器的止屈性能,通过深海复合管道屈曲传播及屈曲穿越比例模型试验,建立深海管道准静态外压作用下屈曲传播和屈曲穿越整体式止屈器的数值模型,揭示结构和材料力学特性对深海管道屈曲传播压力及止屈器屈曲穿越压力的影响规律,形成整体式止屈器止屈性能评估及设计方法,从而为深海油气管道的设计以及整体式止屈器止屈控制奠定坚实的理论基础。研究工作的主要内容如下:(1)深海复合管道屈曲传播及屈曲穿越模型试验。利用自主设计的压力舱实验装置和设备,开展高静水压力作用下不同结构和材料力学特性深海复合管道及整体式止屈器试件的屈曲传播和屈曲穿越比例模型试验,测得管道试件的局部屈曲失稳压力、屈曲传播压力和整体式止屈器的屈曲穿越压力以及试件的体积变化,探究了层间黏结性能对夹层管试件屈曲传播和屈曲穿越的影响。(2)双层管非线性屈曲传播机理研究。基于刚体-塑性铰模型,分别推导了单层管、固体插入棒模型和双层管的屈曲传播压力理论计算公式。利用有限元软件ABAQUS建立了能够准确模拟外压作用下双层管局部屈曲失稳和屈曲稳态传播的三维数值模型。进行一系列参数敏感性分析,确定了4种不同类型的屈曲传播模式,提出了更为准确合理的固体插入棒模型和双层管屈曲传播压力经验计算公式,通过已有的双层管屈曲传播压力试验结果验证了经验公式的有效性和实用性。(3)夹层管非线性屈曲传播机理研究。结合比例模型试验和数值模拟方法,系统研究了外压作用下夹层管的非线性屈曲传播影响机理,揭示了内外管几何尺寸和材料力学特性、夹芯层厚度和材料力学特性以及夹芯层与内外管层间黏结性能对夹层管屈曲传播压力和屈曲传播形态的影响规律。确定了影响夹层管屈曲传播压力的敏感性参数,提出了可精确预测夹层管屈曲传播压力的经验公式。(4)单层管整体式止屈器止屈性能研究。数值模拟外压作用下单层管局部屈曲失稳的发生、屈曲沿轴向稳态传播和屈曲穿越整体式止屈器进入下游管道的过程,重现了平行穿越和正交穿越两种模式。通过数值模拟方法,系统研究了管道和止屈器几何尺寸和材料力学特性对屈曲穿越压力的影响。基于大量的数值模拟结果,提出了更为合理的屈曲穿越压力和止屈效率经验计算公式。通过已有的试验数据,验证了止屈效率经验计算公式和下界包络线可以有效地评估单层管整体式止屈器的止屈性能。(5)双层管整体式止屈器止屈性能研究。改进传统的整体式止屈器,提出了适用于双层管且止屈效率更高的内凸整体式止屈器。根据比例模型试验观测结果,建立了三维有限元模型模拟外压作用下屈曲穿越双层管内凸整体式止屈器的过程。通过大量的参数相关性分析,系统研究了内外管和止屈器几何尺寸和材料力学特性对屈曲穿越压力的影响,确定了不同的屈曲传播与穿越模式,拟合得到了内凸整体式止屈器屈曲穿越压力的经验计算公式,建立了相应的止屈效率经验计算公式和下界包络线,在管道初步设计阶段可方便快捷地评估双层管内凸整体式止屈器的止屈性能。(6)夹层管整体式止屈器止屈性能研究。基于试验观测结果,建立了有限元模型数值模拟外压作用下屈曲稳态传播和屈曲穿越夹层管整体式止屈器的过程。通过数值模拟方法,研究夹层管整体式止屈器的屈曲穿越机理和管道变形形态,揭示了夹层管及止屈器几何尺寸和材料力学特性、夹芯层与内外管层间黏结性能对屈曲穿越压力的影响规律,提出了整体式止屈器屈曲穿越压力的经验计算公式,建立了止屈效率经验计算公式和下界包络线以评估止屈器的止屈性能,为夹层管整体式止屈器的设计提供理论基础。