深水柔性管道骨架层加工力学研究

摘要

能源开发是关乎国家安全和经济发展的重要产业，海洋中蕴藏丰富的油气资源，随着海洋油气开采产业的发展，油气资源的开发从近海逐步发展向深远海，浮式生产系统是深水油气资源开发的一种常用形式，而在浮式生产系统中，海洋柔性管道是必不可少的介质输送装备。柔性管道由多层结构构成，骨架层是其最内层，其结构形式为S型钢带互锁，主要作用为抵抗外压荷载，随着油气资源开发水深的逐渐增加，对骨架层的要求越来越高，一方面，骨架层由于其结构形式复杂，加工过程存在较大塑性变形而导致不能精确预测压溃行为，另一方面，水深增加要求增加骨架层成型钢板的厚度，为骨架层的制造过程带来了很大的挑战，骨架层制造技术在国内柔性管道产业一直属于瓶颈，无法突破。本文以实现柔性管道国产化为目标，依托于国家高新技术研究发展计划——深水油气勘探开发关键技术与装备研究项目“柔性海底管道关键技术研究”（2012AA09A212）课题，对深水柔性管道骨架层的制造技术进行相关力学问题的研究。
　　本文首先总结了柔性管道骨架层的发展现状，包括对于骨架层压溃行为的研究，以及国内外柔性管道产业的骨架层制造能力的发展现状，并针对骨架层生产过程的冷弯成型技术的研究与发展进行总结;在此基础上，提取了柔性管道骨架层的简单力学模型进行分析，并基于经典的冷弯成型设计理论对骨架层冷弯成型技术进行初步设计;接下来对骨架层的成型材料进行了材料实验，并针对冷弯成型技术中的核心力学问题进行简单的钢板弯曲实验;在实验支持的基础上，利用ABAQUS有限元模型进行了冷弯成型过程中的相关参数的研究;在参数研究的基础上，利用ABAQUS建立了整体冷弯成型过程的有限元模型并进行了骨架层冷弯成型过程的模拟，一方面为国内柔性管道产业提供了一定的技术支持，另一方面为骨架层压溃行为的研究提供了初始残余应力等相关分析参数。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 深水柔性管道简介

1．2．1 柔性管道分类

1．2．2 典型深水柔性管道的结构

1．2．3 深水柔性管道骨架层的研究现状

1．3 深水柔性管道骨架层加工过程简介

1．3．1 柔性管道骨架层成型原理

1．3．2 国内外加工装备发展现状

1．3．3 冷弯成型技术研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 冷弯成型力学理论及一般设计流程

2．1 纯弯曲板的力学模型及求解

2．1．1 理论模型与假设

2．1．2 弯曲过程分析

2．1．3 弯曲应力分布求解

2．1．4 弯曲回弹分析

2．2 冷弯成型一般设计流程

2．2．1 成型道次设计

2．2．2 成型角分配

2．2．3 辊花设计

2．3 本章小节

3 冷弯成型实验研究

3．1 成型材料力学性能测试

3．1．1 试件与加载

3．1．2 测量与记录

3．1．3 实验结果

3．1．4 相关推论

3．2 钢板的纯弯曲测试

3．2．1 试件与加载

3．2．2 测量与记录

3．2．3 实验结果

3．3 本章小结

4 冷弯成型有限元建模与相关参数分析

4．1 ABAQUS有限元模型的建立

4．1．1 模型建立与单元设置

4．1．2 求解方法与约束

4．1．3 网格与接触设置

4．2 有限元模型的实验验证

4．3 单辊分析

4．3．1 网格收敛性分析

4．3．2 厚度(径厚比)对成型结果的影响

4．4 多辊分析

4．4．1 辊距对成型结果的影响

4．4．2 单道次成型角大小对成型结果的影响

4．5 本章小结

5 目标截面冷弯成型分析

5．1 有限元模型的建立

5．1．1 模型建立与相关参数

5．1．2 单元与网格设置

5．2 初步有限元分析与结果

5．3 细化网格后的求解与结果

5．3．1 精细模型对成型方案的修正

5．3．2 求解结果

5．4 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