海洋粘接性立管线型优化设计及疲劳测试方法研究

摘要

悬链线单点系泊系统（CALM系统）是由若干根悬链式锚链系泊于特定的海域，由于其安装方便且造价较低，目前已在全球得到了广泛地应用。海洋粘接性柔性立管是CALM系统的重要组成部分，是连接浮式平台和水下生产系统的重要设备。由于我国海洋油气开发的工程装备技术起步较晚，尚不具备 CALM系统粘接性柔性立管的设计分析和试验认证等关键技术的能力，严重制约了我国海洋油气资源的战略开发。因此，对于海洋粘接性管道线型设计及其试验测试技术的研究是很有必要的。
　　本文首先对国内外有关海洋管缆的整体设计分析技术以及管道的疲劳试验进行了调研和整理，在此基础上通过对 CALM系统粘接性立管整体线型、所受荷载、失效形式进行了研究，给出了立管的线型设计准则以及设计流程。在此基础上，通过对立管线型顺应性的研究，以立管顺应性能为衡量指标，对立管浮筒段浮力模块布局参数进行了敏感性分析，探究了浮力模块布局各参数对柔性立管顺应性能的影响，并对陡S型立管下浮力模块布局进行了优化设计。
　　本文最后针对海洋粘接性柔性立管在位服役期间受到波浪和海流的作用容易发生疲劳破坏进行了研究。对于管道的疲劳分析，在研究了理论和有限元的基础上，对立管疲劳测试方法进行了研究，重点探讨了立管半物理仿真疲劳试验，并指出疲劳试验方案的设计即将管缆在位时受到荷载转换到试验模拟加载方式，是整个疲劳试验的关键部分，给出了疲劳试验方案的设计流程。
　　本文依托国家“十二五”863项目“柔性海底管道关键技术研究”的研究，该研究成果有助于我国掌握 CALM系统粘接性柔性立管的整体线型设计以及线型优化技术，也为海洋动态管缆这类柔性结构的疲劳试验设计提供了有价值的指导和参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 海洋粘接管简介

1.3 海洋柔性立管线型及疲劳试验设计研究现状

1.4 本文研究内容

2 粘接性柔性立管的线型设计

2.1 粘接性柔性立管线型概述

2.2 粘接性柔性立管整体线型基本构成

2.3 粘接性柔性立管设计工况

2.4 粘接性柔性立管失效模式及设计准则

2.5 粘接性柔性立管整体线型设计方法

2.6 悬链线理论

2.7 本章小结

3 粘接性柔性立管整体线型设计实例

3.1 设计基础

3.2 立管概念设计

3.3 初步设计

3.4 数值模型的建立

3.5 静力分析

3.6 立管动态分析校核

3.7 分析结果与设计评价

3.8 本章小结

4 陡S线型布局优化设计

4.1 陡S线型浮筒段设计分析

4.2 陡S线型浮筒段参数敏感性分析

4.3 陡S线型布局优化

4.4 本章小结

5 柔性立管疲劳加载试验方案的研究

5.1 立管疲劳分析介绍

5.2 疲劳试验研究目标

5.3 疲劳实验设备

5.4 疲劳试验方案设计流程

5.5 疲劳实验加载方案设计实例

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

附录A CALM系统立管极值张力与曲率结果

附录B 疲劳工况分析结果

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢