水下生产系统动态脐带缆力学特性研究

发布时间：2020-03-22 03:12

【摘要】：水下生产系统是目前深水油气开采的重要生产模式,具有巨大的应用前景,而动态脐带缆作为连接上部浮体与水下生产设备的通道,是水下生产系统的关键设备之一。脐带缆的弯曲刚度是衡量其力学性能的重要指标之一,脐带缆的弯曲刚度的准确评估是强度和疲劳设计的基础。由于脐带缆内部的螺旋结构的存在,使得内部构件之间的滑移严重影响脐带缆的弯曲性能。首先,本文针对一阶螺旋结构,应用Frenet标架和Darboux标架分别建立螺旋曲线弯曲变形前后空间的坐标系,推导弯曲载荷作用下螺旋结构的局部变形,考虑螺旋结构与内层构件的接触和摩擦作用,建立单层及双层螺旋结构的非线性偏微分平衡方程组,并研究了螺旋角和摩擦系数对螺旋结构滑移的影响。研究结果表明,螺旋结构的滑移变化随螺旋极角呈类似三角函数的周期性变化;切向和副法向滑移随螺旋角增大而减小,随摩擦系数增大而减小。在螺旋结构内部相互作用研究的基础上,以我国自主研发的目标脐带缆初样为原型研究了脐带缆的弯曲性能。分别建立无铠装脐带缆和铠装脐带缆数学模型,基于螺旋结构的微分平衡方程,首先分析了内部螺旋结构的局部滑移及受力,对比了内、外层铠装钢丝的滑移和受力区别。通过推导脐带缆的弯矩—曲率关系得出纯弯曲载荷作用下脐带缆的弯曲刚度。为了验证弯曲刚度的理论结果,应用ABAQUS有限元软件建立无铠装脐带缆和双层铠装脐带缆的有限元模型,模拟脐带缆的受弯曲载荷作用的变化过程,拟合脐带缆弯曲变形后的形状函数,应用其弯矩—曲率曲线分析脐带缆的弯曲刚度。对比结果表明,本文所提出的理论分析方法在全滑动阶段与有限元模拟的弯曲刚度比较接近,能够实现脐带缆弯曲性能的快速评估,为脐带缆的初步设计阶段提供理论基础。
【图文】：

水下生产系统

脐带,钢管,结构示意图

保证作业的安全性。脐带缆的发展历史是人类不断探索海洋、挑战自然、追求技术的真实写照，，是海洋工程的开发生产过程的重要缩影。图1-2 钢管脐带缆结构示意图根据脐带缆工作的海洋环境及在位状态，脐带缆可以分为动态脐带缆和静态脐带缆两种（如图 1-3 所示），直接与上部浮体设施连接且处于悬挂状态的称为动态脐带缆，铺设在海床的称为静态脐带缆。静态脐带缆的功能为连接水下井口，受波流载荷的作用较小，主要承受的载荷为管道内外压强载荷以及温度载荷。因此，对静态脐带缆主要从其海底在位稳定性的角度进行分析和评估[5]。动态脐带缆由于直接与浮体连接，受浮体运动的作用影响较大，而且无论安装铺设状态和还是在位状态时，动态脐带缆都受到复杂的海洋环境，而对动态脐带缆基本性能的研究是强度设计和疲劳设计的基础
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE952

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