卡压式海底管道连接器临界密封条件力学分析及密封性能优化

摘要

海底管道是一种海洋石油与天然气资源从海底到陆地最有效的输送方式，在复杂海洋环境的作用下，海底管道不可避免的发生破坏，从而造成油气资源的泄漏并对海洋环境产生严重污染。海底管道的快速修复连接技术长期被欧美国家垄断，严重阻碍着我国海洋工程的发展，随着我国海洋石油天然气资源开发步伐的加快，研究新型海底管道连接技术具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文针对破损海底管道高效修复、可靠连接的要求，提出一种无密封圈的金属接触静密封结构构型，论文围绕卡压式海底管道连接器临界密封条件与结构优化的问题，采用理论分析和数值仿真等方法，对连接器的金属微观密封模型、临界密封条件、结构参数灵敏度和最优密封性能的多目标优化等方面进行了研究。 开展了金属微观密封机理的研究。分析了单个微凸峰弹塑性变形阶段的力学特性，推导了微凸峰接触面积和接触力分别随接触距离变化的表达式，建立了接触表面的微观密封模型，依据金属材料变形体积守恒原理，求解了实现金属接触静密封时微观形貌的真实接触面积和接触压力；同时分析了粗糙度和屈服强度的变化对真实接触面积和接触压力的影响规律；通过有限元方法对微观粗糙表面的接触过程进行了数值模拟，仿真结果验证了微观密封模型的正确性。 针对卡压式海底管道连接器密封形成条件的问题，进行了密封面上临界接触压力均值求解的研究。分析了连接器密封面接触压力的分布特点，建立了实现可靠密封的临界条件；针对管道表面受均匀压力载荷作用的力学模型，采用应力函数方法推导了管壁位移和应力与压力载荷的关系式，并进行了数值模拟验证；基于弹性力学叠加原理，求解了临界接触压力均值的近似数学表达式，同时分析了管道壁厚和密封面宽度对临界接触压力均值的影响，给出了连接器优化设计约束变量的下限值。 针对卡压式海底管道连接器设计变量较多的问题，开展了结构参数灵敏度分析。提出以密封面接触压力、接触均匀度和弹性回弹量作为连接器密封性能评价的体系；建立了卡压式海底管道连接器有限元模型，解决了结构参数与评价指标之间内在关系的问题，分析了连接器结构参数与评价指标的灵敏度，依据分析结果确定出以灵敏度较大的结构参数为连接器优化的设计变量，缩小了设计空间，提高了优化设计的计算精度和效率。 为改善连接器的密封性能，采用多目标遗传算法对其结构进行了优化研究。分析了遗传算法的基本原理，建立了以主次密封面接触压力方差为目标函数、主次接触压力均值和最大塑性应变为约束变量的优化模型；通过径向基函数法获得了目标函数、约束变量与设计变量的近似表达式，优化了主次密封部位的关键结构参数；依据Pareto解集选择满足密封性能的最优结构参数组合，并对比分析了优化前后目标函数和约束变量的变化，验证优化设计改善了连接器的密封性能。对优化后的连接器连接不同材质管道的密封性能进行了分析，为连接器的实际应用提供指导。 为验证微观密封模型和连接器多目标优化方法的正确性，对密封面微观形貌的变形、管道表面压痕和连接器内压试验结果进行分析。通过扫描电镜观察不同粗糙度密封面的微观形貌变形，求解真实面积接触率，并与理论结果进行对比，分析理论与试验之间误差的来源；沿轴平面剖切优化前后的连接器，对比分析管道表面密封压痕的变化，阐述密封压痕变化的原因；搭建了连接器内压试验平台，对比优化前后连接器承受极限内压的能力；同时依据连接器试验规范对优化后的连接器进行拉伸和疲劳试验，检验连接器承受复杂外载荷的能力，并验证本文提出的连接器临界接触压力均值计算方法和多目标优化方法的可行性。 卡压式海底管道连接器采用双密封环的静密封结构，可承受较高的密封压力和外载荷，该研究成果为不同管径连接器的设计提供了理论基础，同时对我国深水油气管线连接技术的发展起到一定的推动作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 海底管道失效形式及连接步骤

1.3 海底管道连接器研究综述

1.4 粗糙表面微观接触力学模型研究概述

1.5 连接器设计方法研究现状

1.6 课题来源及论文主要研究内容

第2章 海底管道连接器方案与微观密封模型的建立

2.1 引言

2.2 海管连接器结构方案与密封原理

2.3 金属微观密封模型的建立

2.4 微观密封变形有限元仿真分析

2.5 本章小结

第3章 卡压式海底管道连接器临界密封条件力学分析

3.1 引言

3.2 海管连接器临界密封条件的建立

3.3 均匀接触压力模型的求解

3.4 海管连接器临界接触压力均值的求解

3.5 本章小结

第4章 连接器密封性能评价指标与参数灵敏度分析

4.1 引言

4.2 灵敏度分析方法

4.3 连接器密封性能评价指标分析

4.4 连接器密封部位结构参数灵敏度分析

4.5 本章小结

第5章 卡压式海底管道连接器密封性能优化研究

5.1 引言

5.2 多目标优化求解方法的分析

5.3 初始设计连接器的密封性能分析

5.4 基于径向基函数法的密封性能优化设计

5.5 常用管道材料连接密封性能分析

5.6 本章小结

第6章 卡压式海底管道连接器性能试验研究

6.1 引言

6.2 密封面微观接触特性试验分析

6.3 卡压式海底管道连接器试验样机与试验设备

6.4 管道表面压痕分析

6.5 连接器性能试验

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢