海洋柔性管缆水下浮力模块的设计研究

摘要

柔性立管在海底能源开发中有着无法替代的作用，相比刚性立管，柔性立管具有更好的顺应性，可以应用于更恶劣的环境，适用范围广泛。柔性立管在应用过程中通常需要设计相应的线型以提高立管的顺应性能，保护立管在位服役的过程中不会因环境荷载而出现破坏。然而，维持设计线型的关键附属装备有浮力装备、弯曲保护装备、连接装备等等。在浮力装备中，分布式浮力模块是最常用的一种，目前国内使用的分布式浮力模块产品主要依赖进口，尚未实现国产化。而国外公司相关产品已经发展成熟，掌握核心技术。因此，对分布式浮力模块的研究有助于早日实现该产品的国产化，打破国外垄断，促进我国海洋工程工业的发展。
　　本文主要集中于浮力模块的基本设计与应用设计，并给出完备的设计流程。文中首先总结了分布式浮力模块的产品开发与发展现状及其关键问题的研究现状，论证了分布式浮力模块研究的主要研究内容并确定了关键研究问题。然后考虑分布式浮力模块的设计因素，分别对浮力模块荷载与荷载工况，浮力模块失效模式进行总结概述，并基于失效模式提出了浮力模块基本设计准则。文中对浮力模块的内部填充及外部保护材料的材料设计进行了研究，综合考虑材料性能及应用环境完成材料选择;完成了浮力结构尺寸基本设计，对浮力部分结构参数给出具体计算公式，准确设计浮力部分体积;文章对浮力模块的应用设计提出具体设计方法，分别针对浮力模块的分布间距与浮力模块的应用数量设计做了研究，浮力模块的分布设计综合考虑管道弯曲相应于材料成本确定最佳分布间距;浮力模块的数量设计则提出许用漂移域的概念，以漂移域最大值确定最佳应用数量。最后以南海某脐带缆设计项目为实例，对分布式浮力模块进行了完整设计，经过完整的设计流程，确定浮力模块各部分设计，并对设计做相应验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 水下分布式浮力模块概述

1．2．1 海洋浮力装备概述

1．2．2 水下分布式浮力模块分类

1．3 水下分布式浮力模块研究与发展概况

1．3．1 主要生产厂家

1．3．2 产品发展及问题研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 分布式浮力模块设计因素考虑

2．1 分布式浮力模块荷载及荷载工况

2．1．1 荷载与分类

2．1．2 荷载工况

2．2 分布式浮力模块的失效模式

2．3 分布式浮力模块的设计准则

2．3．1 基于规范要求的设计方法

2．3．2 基于控制主要失效模式的设计方法

2．3．3 设计准则

2．4 分布式浮力模块的设计内容

2．5 本章小结

3 分布式浮力模块的基本设计

3．1 结构尺寸设计

3．2 材料设计

3．2．1 外壳材料设计

3．2．2 浮力核心材料设计

3．3 连接设计

3．4 本章小结

4 基于数值模拟的浮力模块应用研究

4．1 浮力模块应用设计流程及原理

4．1．1 浮力模块应用设计流程

4．1．2 浮力模块应用设计方法

4．2 确定浮力段的浮力模块分布间距设计

4．2．1 设计的经济性角度考虑浮力模块分布间距设计

4．2．3 两种角度综合考虑浮力模块分布间距设计

4．2．2 设计的浮力段管道曲率角度虑浮力模块分布间距设计

4．3 未确定浮力段设计的浮力模块应用数量设计

4．3．1 不同数量浮力模块对应线型漂移域求解

4．3．2 浮力模块应用数量研究

4．3．3 浮力模块应用数量验证

4．4 本章小结

5 分布式浮力模块设计分析实例

5．1 设计基础

5．1．1 应用海况

5．1．2 立管特性参数

5．1．3 应用线型参数

5．2 浮力模块的整体设计内容

5．2．1 材料设计

5．2．2 分布间距设计

5．2．3 结构设计

5．3．3 连接设计

5．3 本章小节

6 结论和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢