卷管铺设系统样机研制及管道力学性能研究

摘要

能源在人类生存和发展过程中扮演着重要的角色，而在所有能源中，石油和天然气占有最主要地位。随着陆地油气资源开采殆尽，开发海洋油气资源已迫在眉睫。在海洋油气资源的开发过程中，需要将海底油气输送至陆地或者油气船上。目前，世界各国主要采用海底管道作为油气输送工具。卷管铺设是一种新型海底管道铺设方式，在远距离管道铺设中具有较大的优势。因此，开展卷管铺设关键技术研究，研制一种具有自主知识产权的卷管铺设装备，对打破国外技术封锁，提高我国海洋工程装备技术水平具有重要意义。
　　本文首先介绍海底管道各种铺设方法的发展现状，并分析归纳各种方法的优缺点；针对论文研究的卷管铺设法，对其涉及到的关键理论进行综述，具体包括：管道安全性、管道屈曲理论和管道校直理论。
　　提出卷管铺设系统的总体方案。针对部件结构尺寸和重量较大的问题，采用模块化设计的思想。根据部件的功能和特点，将整个系统分为滚筒、校准器、校直器、张紧器和铺设塔架五个部分。并对各个部件的结构和驱动形式进行设计。在此基础上，对系统的液压驱动和控制方案进行设计。
　　针对卷管铺设中管道受力较大易失效的问题，提出一种管道安全性的判定方法。通过分析管道的失效机理和铺设过程中的受力状况，得到管道极限载荷承载能力和极限应变能力，并对影响管道安全性的因素进行研究。采用该方法对试验系统中管道的安全性进行分析，验证本文滚筒设计的正确性。
　　研究卷管铺设中上卷时管道的屈曲问题。以非线性环理论为基础，建立起管道横截面变形和曲率之间的关系；考虑管道和滚筒之间的接触，基于虚功原理，获得横截面变形和外界载荷之间的平衡方程；并用牛顿-拉夫森迭代法进行求解，获得管道在上卷过程中弯矩和椭圆度的变化。分析管道几何、材料参数以及弹性回弹对管道屈曲的影响。采用陆地试验和仿真相结合的方法验证该方法的正确性。
　　针对管道上卷后残余挠度较大的问题，建立一种连续、快速的校直模型，获得了校直反弯下压量和校直行程。基于最小势能原理，获得管道单位长度上的最大弹性压力，建立起校直器压点、支点和管道性能之间的关系。以弹塑性理论为基础，通过求解管道弯矩、塑弯比从而获得管道校直曲率和初始曲率之间的数学关系。为便于铺设过程中校直器的操作，进一步得到管道的校直反弯下压量和校直行程。通过研究材料、几何参数对校直曲率的影响，将校直曲率公式进行简化。基于ANSYS对管道校直过程进行分析，通过仿真结果和理论结果的比较分析，验证校直模型和理论的正确性。
　　开展卷管铺设试验研究。研制卷管铺设系统试验样机，搭建海试试验平台。通过样机调试、码头上卷试验和海上退卷试验，对样机总体方案和理论计算进行验证。试验结果验证了本文所提出的总体方案、管道安全性判断方法、管道上卷弯曲屈曲分析方法、管道校直模型和理论的正确性。
　　本文研究成果对深海卷管铺设系统工程样机的研制提供了理论基础，为卷管铺设法的实际操作提供了宝贵的实践经验，同时为我国海底管道铺设技术的深入研究开阔了思路，具有重要意义。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 海底管道铺设技术发展现状

1.3 卷管铺设相关理论研究现状

1.4 课题的来源及论文主要研究内容

第2章 卷管铺设系统总体方案研究

2.1 引言

2.2 卷管铺设系统方案分析

2.3 卷管铺设系统结构方案研究

2.4 卷管铺设系统液压驱动方案研究

2.5 卷管铺设系统控制方案研究

2.6 本章小结

第3章 卷管铺设中管道安全性分析

3.1 引言

3.2 管道极限状态及失效机理分析

3.3 管道失效判定准则建立

3.4 管道上卷安全性分析

3.5 本章小结

第4章 卷管铺设中管道上卷屈曲分析

4.1 引言

4.2 管道上卷屈曲理论模型

4.3 管道上卷弯曲屈曲理论分析

4.4 管道屈曲影响因素分析

4.5 算例

4.6 本章小结

第5章 卷管铺设中管道校直理论研究

5.1 引言

5.2 卷管铺设中管道校直模型

5.3 校直器支点距离分析

5.4 弹塑性校直理论分析

5.5 参数对校直曲率影响的研究

5.6 算例

5.7 本章小结

第6章 卷管铺设系统样机研制及试验研究

6.1 引言

6.2 卷管铺设试验系统

6.3 卷管铺设系统试验样机调试

6.4 管道上卷试验及数据分析

6.5 管道退卷铺设试验及数据分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和取得的科研成果

致谢