深海管线卷筒安装可靠度分析及多轴疲劳研究

发布时间：2020-07-01 13:15

【摘要】：随着石油和天然气开采加速向深海迈进,海洋油气勘探正在更深的海域中建造生产系统。深海管线是深海油气生产系统中的重要组成部分,其安全性至关重要,一旦发生破坏将带来巨大的经济损失,甚至造成环境污染。深海油气开发的蓬勃发展也使得深海管线安装面临众多挑战,目前最常用的安装方法包括卷筒铺设、S形铺设、J形铺设、拖曳铺设。卷筒铺设安装方法由于大部分焊接工作在陆地完成,因此具有铺管效率高、费用低等优点,适用于深水区域的各种管线(钢悬链立管、脐带缆等)铺设。然而,安装过程中管线绕在卷筒上会产生塑性变形,导致力学性能变化甚至发生结构破坏,特别是对于卷轴安装过程中钢悬链立管的焊缝缺陷以及脐带缆内部套管之间的相互作用影响,均是需在安装仿真过程中着重探讨的。卷筒安装对深海管线疲劳性能的影响也是一个需要考虑的重要方面。疲劳是深海管线设计的关键控制因素,在先前的研究中,大多数研究是基于单轴变幅载荷对立管疲劳寿命进行预估的,然而随着水深加深,深海管线工作环境更加复杂,致使其应力应变状态不再单纯地以单轴为主,因此采用多轴方法对深海管线进行疲劳分析可能会更加准确。此外,在卷筒安装过程中包含着许多随机性或不确定性因素,这些随机性因素很大一部分来自结构本身材料的物理性质和几何尺寸的不确定性,有可能导致钢悬链立管在卷筒安装过程中力学表现与预期不一样,甚至有可能发生破坏,因此有必要考虑随机性的因素对卷筒安装过程进行可靠度分析,以确保深海管线的安全性。研究探讨了深海管线的卷筒安装对其疲劳寿命的影响,并对卷筒安装过程进行了可靠度研究,主要工作如下: 1.深海管线卷筒安装数值模拟采用有限元方法对深海钢悬链立管和脐带缆卷筒安装整个过程进行了数值模拟,重点探讨了钢悬链立管中焊缝及脐带缆内部各相互接触套管在安装过程中的力学表现,并讨论了钢悬链立管中未焊透和未融合两种焊缝缺陷在安装过程中对材料性能的影响。2.卷筒安装的深海管线多轴疲劳分析基于有限元分析,分别对采用卷筒安装和未采用卷筒安装的深海管线施加相同的载荷,然后采用临界平面法对其进行多轴疲劳分析,探讨卷筒安装对深海管线疲劳寿命的影响。 3.钢悬链立管卷筒安装可靠度分析选择材料参数及立管尺寸作为随机变量,对各种参与运算的随机性参数进行试验设计选取样本点,通过调用有限元程序对样本点进行响应计算,继而根据所得的响应值通过响应面代理模型技术构造代理模型,在代理模型基础上采用一阶二次矩及蒙特卡罗可靠度分析方法分别对钢悬链立管卷筒安装过程进行可靠度分析。采用有限元方法对深海管线卷筒安装进行数值模拟,探讨了钢悬链立管中焊缝及脐带缆内部各相互接触套管在安装过程中的力学表现,在有限元分析基础上对深海管线进行多轴疲劳研究,结果表明卷筒安装大大降低了深海管线的疲劳寿命。通过随机性分析对钢悬链立管卷筒安装进行可靠度评估,探索了对立管进行高效、科学的分析设计方法,对工程设计具有参考意义。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P756.2
【图文】：

管线系统,深海

上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论随着水深的不断增加，深水技术装备也不断面临挑战，深海管线系统(如图 1-1所示[1])在这一次次的挑战中得到了很大发展，从顶张力立管(TTR)发展到今天的钢悬链立管(SCR)、柔性立管以及混合立管。由于深海平台在海洋环境的作用下具有不同的运动特征，因此对连接海底管线和平台的立管系统也提出了不同的要求[2]。例如张力腿平台(TLP)和单柱平台(SPAR)等浮式结构的二阶慢漂运动在极端海况时，其最大漂移量可达水深的 6 %～10%。然而，顶张力立管没有能力顺应这样大的浮体漂移，并且随着水深加深，顶张力的补偿也变得越来越困难，难以承受浮体的升沉运动。因此，钢悬链立管和柔性立管成为深水油气开发中一种非常有效的解决方案。

柔性立管,立管,悬链,悬链线

【参考文献】