海洋粘接性管道结构设计及水动力分析

摘要

海洋粘接性管道是连接生产平台和浮式储油轮之间的关键油气传输装备，其由钢丝、帘线编织层和橡胶等通过硫化工艺粘结而成，为典型的多层缠绕层合结构，因此给粘接性管道的力学行为分析带来了较大的困难。目前粘接性管道的设计技术多被国外公司所垄断，因此对其结构进行设计对国内粘接性管道发展具有积极意义；另一方面，在海洋环境下管道的水动力学行为较为复杂，分析其动力响应可有效避免管道的振动破坏。因此，分析管道的力学性能和动力响应对探究管道的结构设计和控制有着重要的工程意义。 本文首先介绍了粘接性管道的工程背景、结构特征及管道的振动特性，并对本文的研究意义进行了阐述。其次，针对此种结构，从目前对类似结构的研究现状出发，根据海洋粘接性管道的相关结构特点，采用复合材料的相关理论对其结构的力学性能指标进行推导，得到结构的拉伸刚度、弯曲刚度和爆破压力的理论推导公式。然后，对具体的海洋粘接性管道结构建立有限元模型，通过提取相关的参数与荷载之间的关系，得到结构的拉伸刚度、弯曲刚度和爆破压力的数值结果，并对比理论结果与数值结果之间的差别，以验证理论推导的可行性。同时，本文对某12寸管道进行了爆破压力测试，通过对比爆破压力的试验值与理论值之间的差别，从试验角度验证了理论结果的准确性。最后，考虑到海洋粘接性管道在复杂海况下动力响应的重要性，通过建立管道的水动力学方程，并考虑管内流体求解得到了一种缓波线型下管道的振动响应。此外，引入边界控制策略降低其在波浪激励下管体运动的振动影响，对有效提升管道的服役寿命有着积极贡献。 本文的研究工作依托国家发改委项目“超大型油轮海上浮式系泊和原油输送装置设计建造技术研发及产业化”中“海洋工程装备研发及产业化专项”，本文工作对海洋粘接性管道的结构设计及振动响应控制提供一定的指导意义。

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