一种深海复合采油立管的设计与性能研究

摘要

立管是海上油气开发的重要设备之一。较浅海比，深海立管所处的海洋环境更为恶劣。所以，深海采油立管在设计时，对材料选择、结构形式以及制造安装工艺的要求非常高，一般单层立管很难达到此标准。目前，复合立管由于其结构形式丰富，力学性能良好，在深海采油领域应用日益广泛。由于立管在海下作业时受到的力较为复杂，设计时需要考虑立管在各种载荷作用下的响应情况。
　　本文的研究内容如下：
　　（1）设计了一种具有高抗拉性能的深海采油立管。该立管采用高抗拉强度的钢带作为外层材料包裹在强度级别相对较低的可焊管外壁制成，立管包括内管、轴向钢带层及2层不同角度铺设的螺旋钢带层共4层。该设计采用卡槽式机械连接的方式对两种不可焊高强度钢进行复合，使得立管的结构形式更为丰富。不仅强度高、重量轻而且没有焊缝，大大提高了立管在接头处的强度。
　　（2）提出了复合立管在弯曲载荷下结构响应的分析模型，推导了在极坐标系下钢带层应变与螺旋铺设角度、方位角度坐标之间的关系，通过应变能同外力矩做功相等的原理，得出了复合立管螺旋钢带层弯曲刚度的计算公式，从机理上揭示复合立管的弯曲响应特性。
　　（3）分析了该复合立管在轴对称载荷作用下的响应。首先，给出了轴对称载荷作用下复合立管各层响应的未知变量；然后，根据平衡方程、本构方程和变形协调方程，推导出了与未知变量相对应的方程组；最后，得到复合管在轴对称载荷作用下的响应方程，并探讨了螺旋钢带层的铺设角度与复合立管整体响应的关系。
　　（4）对复合立管模型进行数值模拟，分别分析了复合立管在弯曲载荷、轴向拉力和轴向扭矩作用下的结构响应。先使用ANSYS的APDL语言编写脚本程序对立管的螺旋钢带层进行参数化建模，再将模型导入 ABAQUS有限元软件中与内管、轴向钢带层组装成共4层复合立管有限元模型，通过计算得到复合立管的螺旋钢带层的轴向应力沿复合立管纵向的变化关系，得到复合立管整体响应情况，并将刚度计算结果与理论计算结果进行了对比。

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第1章 绪论

1.1深海中的海洋立管

1.2研究背景和意义

1.3海洋立管国内外研究现状

1.4本论文的研究内容和创新点

第2章 复合采油立管的设计

2.1引言

2.2立管相关规定

2.3海洋立管的工程设计

2.4新型复合立管设计

2.5复合立管尺寸确定

2.6本章小结

第3章 新型复合立管弯曲载荷作用下的响应分析

3.1前言

3.2四层复合立管

3.3弯曲响应理论

3.4弯曲响应的有限元分析

3.5复合立管在弯曲载荷作用下理论结果与有限元结果对比

3.6本章小结

第4章 新型复合立管轴对称载荷作用下的响应分析

4.1前言

4.2四层复合立管的理论数值分析

4.3复合立管在轴对称载荷作用下的有限元分析

4.4复合立管在轴对称载荷作用下理论结果与有限元结果对比

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1论文总结

5.2未来展望

参考文献

附录1

致谢

参考文献