粘结性非金属海洋柔性立管截面结构设计及强度分析

发布时间：2020-10-21 13:42

　　海洋柔性立管作为各国深海石油开采的一把利器,因具有较好的柔性、耐腐蚀性、重量轻以及安装方便等诸多优点,正逐步取代传统的钢制管道,成为未来海工发展的一个主要趋势。由于我国在海洋柔性立管研究方面起步较晚,国外又对出口的柔性立管产品实行严格的技术保密和专利保护,从而导致了我国现今深海开发所使用的海洋柔性立管产品全部依靠进口,这不仅增加了企业的生产成本,而且还严重影响了我国深海石油开发的进程,因此对海洋柔性立管的国产化研制已经刻不容缓,这也必将会成为我国未来海工发展的一个重点方向。本文以一种典型的粘结性非金属海洋柔性立管——热塑性玻纤增强柔性立管为研究对象,针对其关键工艺的制备流程、增强层截面结构设计、截面力学性能研究、极端海况下的整体强度分析这几个方面做了一些基础性的研究,具体研究工作总结如下:(1)研究了玻纤增强柔性立管的两个关键工艺的制备流程即增强层的纤维缠绕工艺和内衬层的三层共挤工艺流程,并对这两个工艺流程中所使用到的关键设备以及制备过程中出现的部分问题进行了简要的介绍和分析。(2)根据深海500米处使用的海洋柔性立管技术设计指标,利用ABAQUS有限元软件,参考DNV-RP-F119标准,对玻纤增强柔性立管的增强层截面结构进行了单一螺旋角度缠绕和多角度缠绕这两种缠绕方案的结构设计,并最终设计出了满足强度要求的单一螺旋角度缠绕结构的柔性立管其增强层最小缠绕厚度为11.4mm,最优缠绕角度为±60°;多角度缠绕结构的柔性立管其增强层结构从内到外分别为:抗压层为4mm(缠绕角度为90°)、抗拉层为3.6mm(缠绕角度±30°)、补强层为4mm(缠绕角度为±55°)。(3)利用ABAQUS有限元软件并结合材料力学公式计算了两种不同增强层缠绕结构的玻纤增强柔性管的拉伸、弯曲和扭转刚度值,计算结果显示多角度缠绕结构柔性管的三种刚度值分别为129074744N、512.36KN.m2、750000N.m2,均大于单一螺旋角度缠绕结构柔性管的这三种刚度值119593220N、459.5KN.m2、600000N.m2。此外,本文还计算了这两种柔性管模型在无内压和有内压作用下的最小弯曲半径,计算结果显示单一螺旋角度缠绕柔性管在无内压和有内压作用下的最小弯曲半径分别为3.79m和8.57m,均小于多角度缠绕柔性管在无内压和有内压作用下的最小弯曲半径3.87m和9.23m。(4)针对玻纤增强柔性立管在极端海况下的整体强度分析,以综合力学性能较好的多角度缠绕柔性立管模型为研究对象,采用了从整体到局部的强度分析方法,利用专业的海工软件Orcaflex首先进行了整体静力学分析,确定出该柔性立管的危险区域为拉伸张力最大的顶部悬挂区域和弯矩最大的底部触地段区域;然后再针对这两个危险区域基于船体在近位点、远位点这两个典型位置分别进行100年一遇海流和10年一遇波浪联合作用、10年一遇海流和100年一遇波浪联合作用下的动力学分析,提取危险截面的最大拉伸张力和最大弯矩,并作为后续局部模型强度校核分析的边界条件;最后对柔性管的局部模型进行强度校核分析,校核结果显示所设计的多角度缠绕柔性立管能够满足在这两种极端海况下服役的强度要求。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P756.2;TE95
【部分图文】：

分布图,海洋油气,全球,分布图

如图Ｍ所示，据统计目前世界上被发现的海上油田数量已经高达１６００多个，其??中大约有２００多个油气田已经进入投产状态，年产石油量高占全世界石油总产量的??１／３［４１。我国海域辽阔，海疆面积约为３００多万平方公里，油气资源极为丰富，如图１－２??所示，例如具有“第二波斯湾”之称的南海，现已被探测到的油气构造数量己经多达??２００多个［５＿８］。虽然目前我国海上油气资源储量较高，但是这些油气资源却大部分位于??深水和超深水海域，限于我国目前的海工装备技术水平与西方发达国家相比较为落??后，因此现今仍然主要以边际油田开发为主，对海深３００米以上的海域开发较为困难，??而西方发达国家在这方面却早己实现了?２４３８ｍ水深的石油开采??随着南海被发现蕴藏丰富的油气资源后，越南、菲律宾等东南亚各国家争先邀揽??掌握先进深海开采技术的西方国家，以合作的方式与其进行掠夺性地开采南海油气资??源，据统计，己有２００多家石油公司在南海钻井，总量接近两千口，年产石油总量５０００??万吨。目前我国海洋石油资源开发形式严峻

非粘结性,柔性管

粘结性柔性管结构较为复杂，目前主由Ｔｅｃｈｎｉｐ、Ｄｅｅｐｆｌｅｘ、Ｗｅｌｌｓｔｒｅａｍ和ＮＫＴ等国??外公司垄断生产，截面结构从内到外一般包括：骨架层、内衬层、抗压层、耐磨层、??抗拉层、绝缘层和外保护层，如图１－３所示。非粘结性柔性管的骨架层、抗压层和抗??拉层是通过钢带按照不同的设计角度缠绕而成，具有较好的抗压性。由于为非粘结性??海洋柔性管，在服役期间，层与层之间经常发生相互滑移现象，因此会对柔性管造成??严重的疲劳损伤，甚至会出现层间脱离和功能层结构失效问题，严重影响了管道的使??用寿命。粘结性非金属柔性管结构则较为简单，一般由内衬层、增强层、外保护层三??大部分组成，如图１－４所示，目前主要由Ａｉｒｂｏｎｅ和Ｍａｇｍａ等国外公司研制生产，它??们掌握着整套粘结性非金属柔性管的核心制备技术。粘结性非金属柔性管的增强层是??基于热粘合缠绕工艺，通过纤维带不同角度的缠绕制备而成，内部各层之间相互粘结??固定，不会出现类似于非粘结性柔性管一样的层间相互滑移现象，因此较非粘结性柔??性管具有更好的耐疲劳性

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