脐带缆螺旋碳纤维增强杆的力学性能分析研究

发布时间：2020-06-08 18:50

【摘要】：脐带缆是连接水下生产系统和浮式结构物的“神经生命线”,随着海洋油气资源开发深水化的推进,钢制管线的重量制约着深水油气开发进程。利用螺旋碳纤维增强杆代替脐带缆中的钢制铠装层,以实现脐带缆的轻量化设计,能够有效解决深水油气开发过程中脐带缆承载能力和自重之间的矛盾。论文运用数学解析方法对螺旋碳纤维增强杆结构的几何建模进行分析,发现建立其理想接触模型的参数化方程需要确定4个具体参数。采用各向异性的碳纤维材料,考虑结构的径向收缩以及装配压力作用,通过数学解析与有限元计算,推导计算螺旋碳纤维增强杆结构在拉伸-扭转耦合载荷下的刚度矩阵,发现数学解析与有限元计算所得各刚度系数较为接近,吻合程度较好;结构尺寸相同情况下,螺旋碳纤维增强杆结构的各刚度系数均略小于钢制螺旋增强杆结构,但其重量仅为后者的1/5左右。论文初步确定碳纤维增强脐带缆的整体形式,进行整体力学性能分析及水动力分析,发现碳纤维增强脐带缆较配置钢制铠装层的脐带缆具备更为优异的力学性能,完全能够满足水深2700m以下的恶劣工作环境。论文为深水脐带缆的轻量化设计提供了理论基础,进行了实践应用的初步探索,推动了深水油气资源开发的进程。
【图文】：

示意图,脐带,功能,示意图

图 1.1 脐带缆功能示意图Fig. 1.1 Function schematic diagram of umbilical cable脐带缆的多元功能特性导致其结构的特殊性，脐带缆结构的组成包括能够上述功能的各种构件单元、执行对应功能的功能性单元以及增强其刚度和强结构性单元。结构性单元提供整体的抗拉性能，为了满足脐带缆整体的线性性以及脐带缆的存储、集输和安装操作，脐带缆也应该满足一定程度的弯曲性能，故其内部单元均为非粘结螺旋增强杆结构形式。螺旋增强杆结构的主式为含内部轴芯缠绕和无轴芯缠绕两种形式[13]。脐带缆内部的螺旋增强形式能够使脐带缆结构在承受拉伸、压缩或弯曲等荷载作用下有效避免发生“解拧”情况，并且能够使脐带缆的制备与装配更利。相对于直杆单元而言，螺旋增强的结构不仅具备同等程度的抗拉性能，扭性能以及抗弯性能均优于直杆单元，，能够更好地适应复杂的海洋油气开采。同时，螺旋增强杆结构的复杂性对脐带缆整体的设计与分析提出了更高的

脐带,形式,海洋油气

中国石油大学（北京）硕士专业学位论文以及当代计算机模拟仿真技术的快速发展，螺旋增强杆结构的力学性能分析可以通过有限元数值模拟的分析方法来实现，用以解决这种多体非线性分析计算。针对超深水的海洋油气开采，结构形式的改变已经无法满足材料自身缺陷带来的问题，目前应用于海洋油气开采设备的传统钢制材料面临着如下问题[14]：（1）钢制设备随着工作水深增大导致其自重过大，致使上部承载力增大；（2）深海工作环境对钢制设备的腐蚀作用导致维修及更换工作十分困难；（3）深水工作环境下的巨大压力载荷对某些钢制结构的严重破坏。脐带缆作为海洋油气开采过程中的关键设备，随着工作水深的增加，钢制材料的自重问题凸显，碳纤维复合材料与钢制材料并用或直接使用碳纤维复合材料进行装备制造能够有效地解决水深带来的张力载荷过大的问题。脐带缆的结构形式与单元材料均发生了相应的变化，经历的 5 个阶段如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE952

【相似文献】