超深水S型铺管的上弯段关键力学问题研究

发布时间：2018-10-12 17:13

【摘要】：S型铺管法是海底管道铺设的主要方法。进行铺设作业时,管道从铺管船甲板上经过吊装、焊接、无损检测等工序后,由张紧器释放,沿托管架滑入水中,最后落至海底。管道在通过托管架滑移入水的过程中承受弯曲、拉伸、托辊反力和船体运动荷载的组合作用,在一定的铺设工况下,不可避免的发生塑性变形、应变集中和截面椭圆化等损伤。当含有铺设损伤的管道离开托管架入水后,在海水外压的作用下,可能会过早的发生屈曲失效。这些问题在以往的浅水S型海底管道铺设中是没有被关注的。因为在浅水铺设中,管道总重量轻,管道在托管架上承受的荷载相对小,上弯段铺设过程不会导致管道的直接破坏或损伤。而在超深水S型铺设中,管道的几何形状和荷载条件发生变化,上弯段“托管架—管道”的耦合动力作用更加复杂,出现了一系列亟待解决的新问题。本文在国家高技术研究发展计划(“863”计划)“深水海底管道铺设技术研究”和国家重点基础研究发展计划(“973”计划)“深海水下油气输送系统可靠性理论研究”的支持下,面向超深水S型海底管道铺设中的上弯段关键力学问题进行研究,开展了如下工作： (1)研究了铺管船运动激励下的托管架和管道耦合动力响应。在超深水S型海底管道铺设中,管道在托管架上承受较大的荷载,发生塑性变形,甚至接近极限承载能力。铺管船在风、浪、流等海洋环境的作用下发生运动,带动托管架和管道相互碰撞,引起托辊荷载的显著增加,对管道安全造成威胁。确定铺管船运动激励下的托管架和管道耦合动力响应是进行超深水海底管道铺设的前提。本文开展了“托管架—管道”耦合动力作用的数值仿真和大比尺模型实验研究,模拟了铺管船运动作用下管道从托管架上滑落的过程,获得了管道在超深水铺设中发生塑性变形时的截面应力分布状态。研究了托辊荷载的静力分布规律和铺管船运动对托辊荷载的动力放大效应,确定了管道在铺设过程中的动力应变历史和托管架的受力状态。 (2)研究了铺设过程引起的管道损伤及含损伤管道的后续承载能力。管道在超深水S型铺设过程中发生不同程度的截面变形。以往的分析模型大多将管道简化为梁单元,无法计算管道从托管架上滑落之后的局部变形和椭圆率。本文利用壳单元建立管道模型,计算了受铺设荷载作用下的管道残余塑性变形和截面不均匀椭圆率。然后以含有铺设损伤的管道作为外压荷载作用下屈曲分析的初始构型,基于改进的Riks方法计算了含铺设残余变形管道在外压荷载作用下的临界屈曲压力。研究结果可以为超深水海底管道铺设中,当管道发生较大塑性变形时的承载能力评估提供参考。 (3)提出了基于管道极限承载能力分析的超深水托管架设计方法。托管架是S型海底管道铺设的核心装备,在铺设过程中起到支撑管道和引导管道入水的作用。它的长度和曲率半径变化范围在一定程度上决定了铺管船的铺设能力,是设计过程中最难确定的参数。进行托管架设计时既需要满足管道的极限承载能力要求,又必须保持张紧器拉力、船体尺寸、船舶推进能力等参数的平衡,还要保证托管架自身的结构安全,涉及诸多参数的优选。本文在“托管架—管道”耦合动力作用研究的基础上,基于管道的极限承载能力分析,提出了超深水托管架的基本设计和详细设计流程,开发了具有自主知识产权的托管架设计软件DUT-Pipelay,基于该软件完成了“海洋石油201”号铺管船的铺设能力评估和新型托管架设计。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P756.2

【参考文献】