海底管道高温高压屈曲分析
高温埋设管线的隆起屈曲分析
ห้องสมุดไป่ตู้２０１８年 ２月
海 洋 工 程 装 备 与 技 术
ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ１．５， Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．， ２０１８
高温 埋设 管线的隆起 屈 曲分析
夏秋玲
（中海 油 安 全 技 术 服 务 有 限公 司 ，天 津 ３００４５６）
始 缺 陷的半解 析 方 法 。 由于设 计 时 适度 保 守 ，故 而 国 内暂 时还 没有这 种破 坏形 式发生 的报道 。
对 于埋设 管线 的隆 起屈 曲分 析 ，目前一 般 采 用 的计算方 法 有 三 种 ，即无 初 始 缺 陷 方 法 、有 初 始 缺 陷 方法 和有 限 元 分 析 方 法 。无 初 始 缺 陷 方 法 比较 简 单 ，因不 考 虑 管 线 的 初 始 缺 陷 ，其 计 算 结 果 有 一 定 的局 限性 ；有 限 元 方 法 能 够 模 拟 管 线 的 真 实 状 态 ，能更 好 地 模 拟 非 线 性 特 性 （如 土 壤 等 ），计 算 结 果 也十分 准 确 ，但 是 计 算 起 来 比较 复 杂 ；有 初 始 缺 陷方法 考虑 了管线 铺 设 时 地基 不 平 的影 响 ，同 时采 用 半解 析 的方 法 ，在 精 度 允 许 的范 围 内 ，求 得 一 个 较 为准确 的结 果 。对 于设 计 者 来 讲 ，在 概念 设 计 阶
Ｏ 引 言
在 浅海 的海底 管 线 设计 中 ，通 常采 用 埋 设 的 方 法来 减小 环境 荷载 和 船 舶抛 锚 、拖 锚 等 对 管 线 的破 坏 。对 于埋设 的管 线 ，管 线 的轴 向 由 于土 壤 的 摩擦 而被 约束 ，如 果 操 作 温 度 较 高 （７０～ ８５℃ 或 更 高 ）， 而安 装 铺 设 时 环 境 温 度 较 低 ，则 在 管 线 投 入 使 用 后 ，操作 温度 与安装 温 度 较 大 的差 异将 使 管 线 产 生 轴 向膨胀 。当 土 壤 的 水 平 阻 力 无 法 克 服 温 度 变 化 引起 的轴 向膨 胀 时 ，埋 设 管 线 便会 发生 向上 的 拱 起 失效 ，这就 是 我们 常说 的 隆起 屈 曲。对 于 高 温 埋设 管线 隆起屈 曲 ，目前 国 内常 用 的设 计 方 法 是 考 虑初
浅谈海管设计项目设计实践中不同管土模型在侧向屈曲分析中的影响
成一道护堤，这种护堤或许会改变土壤强度。由于这些复杂的土壤特性，管土作用往往通过库仑摩擦
模型 （ Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍｂ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ）来 模拟 ；虽然这 种 模型 在一 些概 念性 的侧 向屈 曲评 估 中，如果使 用得 当，可 以得 到成 功 的使用 ；但 是 ，库伦 摩擦 模 型在 详细 的侧 向屈 曲数值 模 拟 中并不适 用 ｆ ２ 】 。 大 型通 用有 限元 软件 ＡＢ Ａ ＱＵＳ Ｖｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ６ ． ９ — １ 在 此 次研 究 中被用来 模拟 管道 以及 管土 模型 。本文 将描 述在 沙 土 中不 同管土 作用 模型 在侧 曲中影 响的 比较 。
填 埋 、抛 石或 增加 膨胀 弯 的方式 来抑 制 屈 曲的发 生 。 然而 ，随着 水深 的增 加 ，挖 沟等 方式 将变 得更 加 困难 。在深 水 不挖沟 情况 下 ，即使 介质 温度 不太 高 ，管 道 （ 例 如注 水 管 ）都 会容 易发 生侧 向屈 曲 （ 侧 屈 ）。另外 一种 更经济 的解 决方 案是 ：如何 更深 入 地 了解 影 响屈 曲的 因素 ，从 而更好 地 控制 它 ，而不是 一 味地 抑制 它 。 侧 向屈 曲对 管土 相互 作用 非常 敏感 。侧 向屈 曲中 ，管道在 土壤 中会 出现 大变 形 。而这种 大变 形下 的管 土作 用 ，往往 是 早先传 统 土力 学在研 究 管道 稳定性 时没有涉 及 的 。之前 的大 部分研 究 ，都是 有关 在水 动 力荷 载下 的 问题定 性研 究 ，其 目的是 确保 管道 依然 保持 在 原位 。而在 侧 向屈 曲分析 中 ，管 道会 突破 原位 并且 移动 大约 几个 管道 直径 的距 离 。大变 形下 ，土壤 的形状 被 改变 了 ，在管道 前有 可能 会形
国内外海底管道屈曲研究进展
《海洋工程结构力学》国内外海底管道屈曲研究进展摘要：海底管道铺设过程中，往往在海底与铺管作业船之间的管道存在着相当长一段的悬跨段，悬跨段长度与水深有关。
在悬跨段经常可能因管子原始的或铺设过程中造成的局部凹陷或损伤而发生屈曲失稳现象。
这种屈曲一旦在管道局部形成，将容易因外部超静水压作用而沿着管道出现纵向屈曲迅速传播，造成危害性较大的传播型屈曲。
这将会严重阻碍管道的正常运行和造成较大的经济损失。
本文即简单评述了国内外海底管道屈曲研究进展情况。
关键词：管道铺设屈曲超静水压Advances on local & global buckling of subsea pipelinesAbstract：When the laying of submarine pipes, there often existence a long period of the suspension span between the seabed and pipe laying ship channel, which length have realated to the depth of water. In spanning the original tubes may often be due to the process or installation or damage caused by depression, while local buckling phenomena occur. Once this form of local buckling in the pipeline made, it will be vulnerable to the external role of super-hydrostatic pressure along the pipeline buckling of vertical spread rapidly, causing the spread of harmful larger type buckling. This will seriously impede the normal operation of pipeline and cause large economic losses. This paper briefly reviews the domestic and buckling of submarine pipelines progress.Key words：Pipe laying Buckling Super-hydrostatic pressure1国内外研究现状当前，海底管道铺设过程的受力性能和屈曲问题引起了广泛的关注，针对该类问题国内外相关学者进行了较为深入的研究。
非埋设海底管道弧线段侧向屈曲的处理方法
2991 概述侧向屈曲作为海底管道失效的主要原因，是管道投产后在高温高压作用下承受较大的轴向载荷进而发生侧向的屈曲形变。
中东油田区域海底土壤多为碳酸岩、钙质砂成分，挖沟回填成本较高，海底管道的铺设通常采用非埋设形式。
对于裸置海管，控制侧向屈曲的方法是允许管道在预先设计位置发生可承受范围内的屈曲，主要方法包括蛇形铺设法、枕木法、分布浮力法等。
NFA项目使用S型铺管船法铺设一条2.5km的20” CRA水泥配重气管线，施工水深54m，海管路由曲率半径1016m，弧线段长度1.4km。
2 弧线段侧向屈曲处理方法2.1 海管信息海底管道相关参数如下所示：Zone1 海管外径508mm，壁厚25.4mm，3mm Inconel 625内衬；Zone2 海管外径514.4mm，壁厚28.6mm，3mm Inconel 625内衬；海管材质等级 API 5L PSL2 X-65；管外涂层 30mm 5LPP + 40mm水泥涂层；海管在运输酸性介质下运行，设计压力34.6Mpa，设计温度101.1℃。
2.2 侧向屈曲的分析NFA项目中依据管材信息及相关公式，参照DNV规范得出管道设计的拉伸应变、疲劳损坏等关键参数的允许范围。
通过VAS有限元分析等方法对生产条件下的管道的侧屈位移及机械应变进行评估，最大拉伸应变超过允许值，管道需要采取相应的侧屈处理办法。
图1 侧向位移及应变曲线2.3 处理方法的选择与优化蛇形铺设法适用于长距离海底管道的侧向屈曲控制，案例中2.5km长度明显不适用。
枕木法及分布浮力法本质上都是通过减小侧向屈曲发生位置管土间的侧向土抗力，使管道发生合理区间的位移，轴向载荷得到释放。
枕木法是在侧屈激发位置安装一个支撑结构，将海管铺垂直铺过支撑上的设计位置，从而减小该段管道的管土间摩擦力。
这种方法需要同时保证枕木的安装精度及海管铺设精度，并且对于支撑结构的强度、稳性、尺寸需要专业的设计校核，将产生对安装枕木的船舶资源、工作量的额外投入。
关于海底管线屈曲剧变特性研究
关于海底管线屈曲剧变特性研究摘要：上世纪七十年代以来，管道在液、固、流态物质的运输渠道中得到越来越广泛的应用。
这是因为管道运输不受时间的限制，运输量大，运输安全性高，运输成本低廉。
海底管线是管道运输的一个重要组成部分，在海底进行运输方面同样发挥着不可替代的作用。
本文主要对海底管线经常出现屈曲剧变问题做出介绍，深入分析研究了屈曲剧变的特性，为完善海底管线提供了宝贵经验。
关键词：海底管线；屈曲剧变；特性分析目前，铺设海底管道线这项工程刚兴起几十年的时间，由于海底作业难度大，在铺设海底管道线时，时常发生一些技术故障，即使在海底管道线铺设完成后，铺设好的管道也会发生一些故障。
例如海底管线发生屈曲剧变等问题。
而此时对海底管道线的修建技术还处于发展阶段，这需要对这项技术不断地进行完善，以便使其更好地应对海底管道线出现的问题。
1.海底管线屈曲剧变1.1.海底管线屈曲剧变概念作为海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分，海底管线起着不可替代的作用。
但海底管线的屈曲剧变问题容易造成管线失效，使海底管线在发挥作用时受限。
管线屈曲的内容主要指管线在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。
这种弯曲给海底管线造成很大影响。
不仅对管线的安全运营造成威胁，而且还给海底管道运输业造成重大经济损失。
1.2.海底管线屈曲剧变的形态根据管线屈曲特点，可将管线的屈曲剧变可分成两类，一是水平向屈曲模式，二是竖直向屈曲模式。
竖直向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土体的约束，无法自由变形而产生的垂直向上隆起，常发生于全埋管线或半埋管线中。
水平向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土体的约束，无法自由变形而产生的水平方向的蛇形位移，常发生于半埋管线或不埋管线中。
从这两种屈曲形态定义中可以看出影响管线变形的一些因素，这为分析管线屈曲原因提供了参考。
海底管道铺设屈曲监测的使用方法评估
海底管道铺设屈曲监测的使用方法评估2 天津北海油人力资源咨询服务有限公司，天津 300452；3 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；摘要：海底管道铺设过程中的屈曲监测是保证海管完整性的重要风险管控措施之一。
本文结合海上施工经验对海底管道铺设屈曲监测使用的方法进行评估与浅析，从适用性、经济性及风险等级等方面阐释了屈曲监控方法的选择，对项目的投标及实施阶段技术考量提供了借鉴意义。
关键词：海底管道铺设；屈曲监测；DNV1、概述海底管道铺设过程中受天气海况、设备状态及人员操作等因素的影响可能造成海管局部发生屈曲形变，湿式屈曲导致管内充水进而引发更严重的事故。
S形海管铺设的屈曲易发位置通常为托管架附近的上弯段及着泥点前的下弯段处。
海管屈曲监测的方法从设备控制到海管形态调查分为多种途径，业内普遍使用的最直观的方式为屈曲探测器监控。
但屈曲探测器常常受使用条件、效率经济、风险级别等因素的影响存在一定的局限性。
本文结合项目实践经验从屈曲探测器使用局限性的影响因素角度对海底管道铺设中的屈曲监测方法的选择进行比较与评估，从适用性、经济性及安全性的层面对技术方法选取的合理性予以佐证。
2、屈曲监测方法的选择与评估2.1 海底管道屈曲监测的一般方法世界上对于刚性海底管道铺设最常见使用的方法是S形铺设和J形铺设。
S形海管屈曲监测的方法通常有：1.张紧器张力监控；2.托管架角度监控；3.对船位沿路有走向的控制；4.使用屈曲探测器（通常放置在着泥点后24m）；5.使用ROV对着泥点进行监控，通过对着泥点海管外观监控及坐标与计算分析值的比对。
2.2 监测方法的选择对于铺管设备及船舶运动的控制是海管铺设屈曲控制手段的基本方式，通常需要结合更加直观的监控方法，如2.1章中关于S形海管铺设所述的4）和5）。
钢丝牵引式屈曲探测器在浅水海底管道铺设中作为屈曲监控手段而普遍应用，国内海上施工经验的应用水深达150米，此时连接屈曲探测器的钢丝达600米。
海底长输油气管道的隆起屈曲分析
海底长输油气管道的隆起屈曲分析余志兵;孙国民;王辉;高嵩【摘要】该文基于Palmer等研究学者提出的半经验解析公式,探讨了海床几何初始缺陷、温降及土壤特性等因素对分析结果的敏感性.结合工程计算所需的前提假设,通过使用自编程序对一工程实例进行分析,结果表明该方法的计算量小、直观性强,对工程设计具有一定的指导意义.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】6页(P64-69)【关键词】长输海底管道;高温高压;初始几何缺陷;隆起屈曲【作者】余志兵;孙国民;王辉;高嵩【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452【正文语种】中文【中图分类】P756随着海上油气资源不断地开发与利用，高温高压海底管道的工程应用逐渐增多，同时海底管道在温度与压力下的变形问题也逐渐显现出来。
对于埋设在海床以下的管道,受管沟不平整度及海床土壤约束的影响，管线无法自由变形,应力不断累积,当应力值超过上覆盖土体抗力时,管线将发生竖直方向的弯曲大变形,最终发生失效而破坏[1，2]。
通常可以采取一些工程附加措施以避免海底管道发生隆起屈曲，例如加大管道埋设深度，增加管道配重厚度，提高铺设后的残余张力及改变管道结构形式等[3，4]，特殊情况下还可以采取降低工艺输送要求的方式，达到减小管道轴向压力的目的。
而对于高温高压长输埋设海底管道，为抑制其隆起屈曲变形，考虑到工程经济性，一般会选取增大管道埋设深度或增加上覆盖土厚度等方式。
但在工程设计阶段，若过于保守地考虑一些基础参数，同样会导致较高的工程施工费用。
因此，在开展长输海底管线的隆起屈曲分析时，应着重考虑环境因素变化的影响。
该文基于Palmer等学者提出的隆起屈曲分析中经典的孤立点支撑模型及半经验解析公式[5]，假设了一些必需的工程分析前提条件，结合工程实例，分析了管道路由的土壤特性、输送介质温度变化及海床沟槽位置的几何初始缺陷等因素对抑制管线发生隆起屈曲所需的最小上覆盖土厚度的影响，数值计算得出的结果可以用于指导工程实践。
海底管线水平向整体屈曲及失效判断方法研究
海底管线水平向整体屈曲及失效判断方法研究刘润;洪兆徽;刘文彬【期刊名称】《海洋工程》【年(卷),期】2015(33)6【摘要】海底管线是海洋石油的重要输运手段。
为满足输送工艺的需要,正常工作条件下管线往往被施加较高的温度和压强,高温高压使管线内产生附加应力,当附加应力大于土体对管线的约束力时,管线就会发生整体屈曲。
过度的水平向整体屈曲会导致截面产生较大的弯曲应力和压缩应变,对管线系统的安全运行造成威胁,因此需要对发生水平向整体屈曲后的管线进行验算。
采用解析解法、规范法和有限元法对管线的整体屈曲进行分析,提出了应用临界屈曲荷载值域空间和值域下限来判断不同缺陷大小下管线是否发生水平向整体屈曲的方法。
结合工程实例,分别采用内力控制标准和位移控制标准对管线水平向整体屈曲后是否失效进行了验算。
研究指出,相较于位移标准,内力控制标准更为严格。
【总页数】10页(P1-9)【关键词】海底管线;水平向整体屈曲;临界屈曲判断;屈曲失效判断【作者】刘润;洪兆徽;刘文彬【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点试验室【正文语种】中文【中图分类】P756.2;TE83【相关文献】1.含初始缺陷海底管线整体屈曲的分析与数值模拟 [J], 刘润;刘文彬;谭振东;闫澍旺2.双拱初始缺陷海底管线水平向整体屈曲数值模拟分析 [J], 刘润;刘文彬;洪兆徽;闫澍旺3.考虑海底管线初始侧向变形的低阶模态水平向整体屈曲分析 [J], 郭林坪;刘润;闫澍旺4.防止温度应力下海底管线发生整体屈曲的工程措施研究 [J], 刘润;王武刚;闫澍旺;吴新利5.海底管线整体屈曲过程中塑性变形研究 [J], 闫澍旺;洪兆徽;闫玥;刘文彬因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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关 键 词 ：有效轴力；垂向屈曲；侧向屈曲
０ 引 言
随着 海洋 石油 开发 的蓬勃 发 展 ，海 底管 道 的重要 性也 日益 凸显 。海 底 管道作 为海 洋石 油 的输送 大 动脉 ，由于 其特殊 的工 作环 境 ， 效后 修复 的 困难程 度 以及 所造 成 的经济 损 失、 境破 坏都 极其 巨大 ， 失 环 因此 对其 安全 性评估 尤 为重要 。
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将 无量 刚 因子 ， 代 入 以上 公式 可 以得 出最大 允许 的海地 面 隆起 高度 ：
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（） ４
（） ５
式中：ｑ 为土壤垂向约束力， Ｄ为土壤的水下重，ｈ为埋土的深度，ｆ为土壤的垂向约束因子， ｆ ｆ
为土壤的剪切强度；Ｄ为管道直径。
管 道 的垂 向稳 性荷 载为
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±
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（） ６
式中：
柚为管道 水下 重力 ，
为垂 向荷 载 安全 因子 。
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海底 管道在 海底 受到 土壤 的垂 向约束 力 由以下两 种情 况 。 当土 壤为 无粘性 的沙 、土和 砾石 时 ，土 壤约 束力 为
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Ｄ． ＋ ， ） （ １
（） ３
当土壤 为粘 性土 时 ，土壤 约束 力 为
如果 ＜５ ｇ＿２ ，
否则， ｑ＝１ Ｓ Ｄ ０・ ・
５ ２卷
增刊 ２
中
国
造
船
Ｖｏ ． ２ Ｓｐ ｃ ａ １ ５ ｅ ｉｌ ２ Ｓｐ２ ｌ ｅ ． ０１
２ １ 年 ９月 ０ １
Ｓ Ｐ Ｉ ＤＩ ＨＩ ＨＩＢＵ Ｌ ＮＧ ＯＦＣ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２２ １）２０ ６ ．６ ００４ ８ （０ Ｓ ．０ ４０ １
＝
（
式中 为管 截面 矩，△ 海地 起高度， 为 道隆 长， ： 墨 ：， 道 惯性 为 面隆 管 起波 （
则有 关系 式 ：
＝
１ 。 ：
２・ ・ 兀
一８・ ・ 兀
（ ７）
用以下近似公式可以替代以上通用表达式：
当 ￡＜４４ ．９， 当 ４４ ＜８０ ．９＜ ．６， ＝０ ０ ４ ．６ ６ ＝５６ ．８ 一８ ．５ ８３
为 管道 截
为 管道热 传 导系 数 ， △ 为管道 内外 压 力差 ， △ 为管道 内外 温度 差 。
２ 垂 向屈 曲分 析
海底 面 隆起 是海底管 道发 生垂 向屈 曲的诱 导原 因 ，隆起 将 引起 管 道受 到垂 直 向上 的作 用力 ，当该
作用 力 大于管 道受 到 的垂 向约 束 （ 管道 刚 度 、 白重 、埋 土等 效应 ）时 ，管道 将产 生垂 向位 移 ，当该位 移 过大或 导致 管道 塑性变 形过 大时 ，管道 发 生垂 向屈 曲。
束 ，这段 长度 管道 的有 效轴 力可 以由 以下 公式 描述 ：
＾ ＝Ｎ 一△ ５ ｒ
（—２ ） ‘ ’ １ 一 Ｅ・ △
（） ２
５ ２卷
增刊 ２
夏 日长 ， 等 ： 海 底 管 道 高温 高压 屈 曲 分 析
６ ５
为管 式中 够为管 ：Ｓ 道有效 轴力，Ｎ为 残余拉力，Ｄ 为 管道外 径 ， ｆ 道名 义壁 厚 ， 管道 面积 ， Ｅ 为管 道弹 性模量 ，
△：
１１ ．６
（
． ） ｚ
（ｏ １）
根据 以上 分析 得 出管道在 一 定埋 土深度 情 况下 允许 的最 大海地 面 隆起 高度 ， 埋土 深度和 隆起 高度 是互 相制 约 的两个变 量 ，可 以根 据 实际工 程 项 目的运行 工况 、海地 面情 况 以及埋 土深 度进行 判 别是 否
本文 主要 针 对海 底 管 道众 多失效 形 式 的一 种 （ 曲） 行 了详细 的理 论 推 导， 介绍 了几种 常 用预 屈 进 并 防屈 曲 的施工方 法 。
当海底 管道 运行 在 高温高 压 的介质 环境 中，管道 要产 生热膨 胀 。如 果管 道两端 受到 约束 ，不 能 自
由膨胀 ，那 么 管道必 然受 到一 个轴 向压 力 ，当管道 的轴 向压 力超过 了土 壤 、水 下重 量 、自身 刚度 的约
束 ，管道 即发 生屈 曲。管道 的 屈 曲形 式 有两种 （ 见下 图 ）：垂 向屈 曲和侧 向屈 曲，以下就 是对这 两 详
种 屈 曲原理 及计 算方法 的描述 。
／ 一一 、
／
／
／
一
海 底Ｉ （ 酊 水平 ）
＼
一
图 １ 垂 向屈 曲和 侧 向屈 曲形 式
１ 管 道 有 效 轴 力 分 析
管道有 效轴 力 是管道 受到 外 部荷载 、土壤 约束 等 的综 合 效应 ，是 管道屈 曲分 析 的重要 组成 部分 ， 管道 在高温 高 压环境 下 产生 的有 效轴 力为
＝
Ⅳ一 ｉ Ｐ４＋ＰＭ ＝ （ｆ ２）－ ｅ ｅｅ Ⅳ一 （ Ｄ－ ｔ ｐＤ ） 。
叶
（） １
由于管 道 受到 土壤 摩擦 ，随着 管道 长 度 的增 加 ，摩 擦力 也相 应增 加 ，在管道 中 间部分 将被 完全 约
海底管道 高温高压屈 曲分析
夏 日长， 潘晓东
（ 海洋石油工程股份有限公司，天津 ３０５ ） ０ ４ １
㈣
摘
要
／ ～ 一
一
对海底 管道在高温高压情况下 的屈 曲进 行 了分析 ，对屈 曲发生 的两种形 式 （ 垂向屈 曲和侧 向屈 曲 ）给 出 了理 论推 导；针 对实际工程项 目中发 生屈 曲的管道 ，推荐 了多种处理措施 ，并详细描述 了各 种处理措 施 ＝ ＝ 、 的原理和优缺点 ，所述原则可供工程项 目在确定最终 的实施方案时参考。