海洋柔性管道材料热物性分析及其力学行为的研究

摘要

作为海洋资源开采过程中重要的运输装备，海洋柔性管道是一种多层复合结构的管道，是关系海洋资源开发的“生命线”。海洋柔性管道由金属层和高分子材料层共同组成，具有可设计性强、弯曲刚度小、强度高、抗疲劳性以及抗腐蚀性好、便于安装的优点，广泛应用于海上油气开采过程以及海上油气运输的各个阶段，特别适用于深水海洋油气开采。当管道运输的液体为高温时，管道各层材料性能会发生变化，可能导致护套层变形、破损致使液体泄漏，进而影响周围海洋生态环境。因此，本文基于企业项目，对海洋柔性管道材料进行热物性分析及其对力学行为影响的研究，分析柔性管道受温度变化可能产生的破坏形式，总结其失效模式，并对其服役可靠性进行分析。通过本文的研究，为实际工程中柔性管道的截面设计及其优化提供建议和参考。本文的研究内容如下： 本文基于数值模拟与模拟实验相结合的方法，对柔性管道进行温度场分析。首先分析海洋工程应用环境，明确柔性管道的工作条件及荷载。其次，针对柔性管道各层材料，通过实验分析金属与非金属材料性能参数，如弹性模量、导热系数、线膨胀系数等随温度变化的规律。再次，基于热传导微分方程，建立柔性管道温度场分析模型，以ABAQUS有限元软件为操作平台，计算温度分布规律，并对该计算模型进行热力耦合分析。最后，通过建立室内模拟实验，分析实验数据，总结柔性管道温度的分布及非金属层变形随温度变化的规律，验证温度场分析模型的合理性。在与企业合作的项目中，对海洋柔性管道温度压力循环实验结果进行分析，得出了柔性管道伸长量随温度变化的规律，为以后柔性管道的设计与分析提供了借鉴与参考。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1柔性管道工程应用背景

1.2 柔性管道的结构及特点

1.2.1 柔性管道的结构

1.2.2 柔性管道的特点

1.3 柔性管道研究现状

1.3.1 柔性管道结构分析方法

1.3.2 管道温度场分析方法

1.3.3 高分子材料分析

1.4 本文研究内容

2 柔性管道材料热物性分析

2.1 柔性管道用材料的选择

2.2 柔性管道材料性能随温度变化分析

2.2.1 弹性模量受温度影响分析

2.2.2 材料的线膨胀系数随温度变化性能分析

2.2.3 材料的导热系数随温度变化性能分析

2.2.4 理论热阻计算

2.3 材料性能随温度变化规律

2.4 本章小结

3 管道温度场分析

3.1 管道温度场理论分析

3.2 管道温度场模型建立

3.2.1 温度场数学模型建立

3.2.2 管道几何模型建立

3.2.3 基本假设

3.2.4 管道温度场分析

3.3 管道温度场分布模拟实验

3.3.1 模拟管道温度分布测试

3.3.2 管道热变形模拟实验

3.3.3 实验结果及分析

3.4 管道温度场结果对比分析

3.5 本章小结

4 管道热力耦合分析

4.1 管道热力耦合模型建立

4.2 管道力学性能受温度场影响分析

4.3 结果分析

4.4 本章小结

5 管道受温度影响的实例分析

5.1 温度压力循环实验

5.2 结果分析

5.2.1 内压对管道的影响

5.2.2 温度对管道的影响

5.3 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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