海洋柔性管缆疲劳试验关键问题及疲劳失效机理研究

摘要

海洋柔性管缆包括柔性管道、脐带缆、光电缆等设备，用于连接油气开采设备与平台等浮式设备，在海洋油气开采系统中占据重要地位。由于海洋环境复杂，柔性管缆经常在服役期间发生各种各样的失效，其中疲劳失效做为一种较难预测的失效模式受到广泛关注，成为当前相关学术研究的重点和难点。预测疲劳失效的发生需要对管缆进行准确的疲劳寿命预测，局部应力的求解是疲劳寿命预测的重要部分。由于柔性管缆结构复杂，层间经常采用非粘接的形式，大量的非线性导致在发生变形时局部应力计算结果不准确。当前学术界难以通过理论或数值寿命预测方法获得柔性管缆准确的疲劳寿命，需要在室内进行原型柔性管缆的模拟实际工况疲劳试验。 本文首先介绍海洋柔性管缆的结构特点，并介绍材料疲劳的基本理论。引出在海洋复杂荷载作用下柔性管缆在位工况下的疲劳失效问题，根据其失效机理讨论预测管缆疲劳寿命的方法，并就其中的的计算误差进行了分析，明确了模拟实际工况实验的必要性。根据当前疲劳试验研究的进展，提出试验中尚未解决完善的关键问题，即摆头的设计。 疲劳试验中摆头部分承担施加循环弯曲荷载的作用，其长度设计对于在弯曲荷载下管缆的线型有着很大的影响，就此问题本文首先建立简单的理论模型，而后通过ABAQUS软件进行仿真分析，并提出了模拟工况试验中摆头设计相关方案，而后通过线型测量实验进行了验证。 本文叙述已经完成的疲劳试验的试验系统与试验流程，从多方面进行了试验方法与试验结果的简要分析。模拟实际工况的疲劳试验需要消耗大量的人力物力，同时试验周期长，且研究的是柔性管缆整体的疲劳失效问题。本文进一步从柔性管缆疲劳机理上开展两个方面的研究：1.管缆承受疲劳循环荷载时，层间往复的滑动导致铠装钢丝层间存在摩擦磨损行为,本文对层间摩擦磨损行为进行试验研究。2.对管缆在拉伸与弯曲荷载下的非线性响应开展试验研究。 本文立足于完成高度还原的柔性管缆结构的模拟实际工况疲劳试验的基本目标，并在此之上进行了疲劳失效的机理分析，对当前学术界对于柔性管缆结构的疲劳问题分析有一定借鉴与启发意义。

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