粘结性非金属海洋柔性立管截面结构设计及强度分析

摘要

海洋柔性立管作为各国深海石油开采的一把利器，因具有较好的柔性、耐腐蚀性、重量轻以及安装方便等诸多优点，正逐步取代传统的钢制管道，成为未来海工发展的一个主要趋势。由于我国在海洋柔性立管研究方面起步较晚，国外又对出口的柔性立管产品实行严格的技术保密和专利保护，从而导致了我国现今深海开发所使用的海洋柔性立管产品全部依靠进口，这不仅增加了企业的生产成本，而且还严重影响了我国深海石油开发的进程，因此对海洋柔性立管的国产化研制已经刻不容缓，这也必将会成为我国未来海工发展的一个重点方向。
　　本文以一种典型的粘结性非金属海洋柔性立管——热塑性玻纤增强柔性立管为研究对象，针对其关键工艺的制备流程、增强层截面结构设计、截面力学性能研究、极端海况下的整体强度分析这几个方面做了一些基础性的研究，具体研究工作总结如下:
　　(1)研究了玻纤增强柔性立管的两个关键工艺的制备流程即增强层的纤维缠绕工艺和内衬层的三层共挤工艺流程，并对这两个工艺流程中所使用到的关键设备以及制备过程中出现的部分问题进行了简要的介绍和分析。
　　(2)根据深海500米处使用的海洋柔性立管技术设计指标，利用ABAQUS有限元软件，参考DNV-RP-F119标准，对玻纤增强柔性立管的增强层截面结构进行了单一螺旋角度缠绕和多角度缠绕这两种缠绕方案的结构设计，并最终设计出了满足强度要求的单一螺旋角度缠绕结构的柔性立管其增强层最小缠绕厚度为11.4mm，最优缠绕角度为±60°;多角度缠绕结构的柔性立管其增强层结构从内到外分别为:抗压层为4mm（缠绕角度为90°）、抗拉层为3.6mm（缠绕角度±30°）、补强层为4mm（缠绕角度为±55°）。
　　(3)利用ABAQUS有限元软件并结合材料力学公式计算了两种不同增强层缠绕结构的玻纤增强柔性管的拉伸、弯曲和扭转刚度值，计算结果显示多角度缠绕结构柔性管的三种刚度值分别为129074744N、512.36KN.m2、750000N.m2，均大于单一螺旋角度缠绕结构柔性管的这三种刚度值119593220N、459.5KN.m2、600000N.m2。此外，本文还计算了这两种柔性管模型在无内压和有内压作用下的最小弯曲半径，计算结果显示单一螺旋角度缠绕柔性管在无内压和有内压作用下的最小弯曲半径分别为3.79m和8.57m，均小于多角度缠绕柔性管在无内压和有内压作用下的最小弯曲半径3.87m和9.23m。
　　(4)针对玻纤增强柔性立管在极端海况下的整体强度分析，以综合力学性能较好的多角度缠绕柔性立管模型为研究对象，采用了从整体到局部的强度分析方法，利用专业的海工软件Orcaflex首先进行了整体静力学分析，确定出该柔性立管的危险区域为拉伸张力最大的顶部悬挂区域和弯矩最大的底部触地段区域;然后再针对这两个危险区域基于船体在近位点、远位点这两个典型位置分别进行100年一遇海流和10年一遇波浪联合作用、10年一遇海流和100年一遇波浪联合作用下的动力学分析，提取危险截面的最大拉伸张力和最大弯矩，并作为后续局部模型强度校核分析的边界条件;最后对柔性管的局部模型进行强度校核分析，校核结果显示所设计的多角度缠绕柔性立管能够满足在这两种极端海况下服役的强度要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 课题国内外研究成果

1．2．1 海洋柔性立管截面结构设计研究现状

1．2．2 海洋柔性立管力学性能研究现状

1．2．3 纤维缠绕机发展现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 深海用热塑性玻纤增强柔性立管制备工艺介绍

2．1 前言

2．2 内衬层材料体系的确定

2．3 内衬层三层共挤制备工艺介绍

2．3．1 三层共挤工艺流程设计

2．3．2 内衬管三层共挤工艺设备整体布局

2．3．3 内衬管三层共挤工艺关键参数确定

2．3．4 内衬管PVDF层和HDPE层聚合物分离问题解决

2．4 玻纤维带热粘合缠绕工艺介绍

2．4．1 玻纤带热粘合缠绕生产线工艺及设备布局

2．4．2 纤维带缠绕机

2．5 本章小结

第三章 基于失效模式的热塑性玻纤增强柔性立管截面结构设计

3．1 前言

3．2 设计工况及材料性能参数

3．3 单一螺旋角度缠绕方案截面结构设计

3．3．1 失效模式分析

3．3．2 单一螺旋角度缠绕柔性管有限元模型

3．3．3 内压强度校核

3．3．4 外压强度校核

3．3．6 最优缠绕角度确定

3．3．7 玻纤增强柔性立管爆破压力强度校核

3．3．8 玻纤增强柔性立管拉伸、外压组合工况强度校核

3．3．9 小结

3．4 多角度玻纤带缠绕方案截面结构设计

3．4．1 多角度缠绕柔性管有限元模型

3．4．2 玻纤增强柔性立管抗压层角度及厚度确定

3．4．3 玻纤增强柔性立管抗拉层缠绕角度及厚度确定

3．4．4 玻纤增强柔性立管爆破压力强度校核

3．4．5 玻纤增强柔性立管拉伸、外压组合工况强度校核

3．4．6 小结

3．5 本章小结

第四章 玻纤增强柔性立管力学性能分析及截面结构优选

4．1 前言

4．2 玻纤增强柔性立管等效刚度及应变能计算

4．2．1 轴向拉伸刚度计算

4．2．2 弯曲刚度计算

4．2．3 扭转刚度计算

4．2．4 小结

4．3 玻纤增强柔性管最小弯曲半径计算

4．3．1 单一螺旋角度缠绕柔性管最小弯曲半径计算

4．3．2 多角度缠绕柔性管最小弯曲半径计算

4．4 玻纤增强柔性立管外压失稳载荷计算

4．4．1 外压屈曲有限元分析

4．5 本章小结

第五章 玻纤增强柔性立管极端海况下的整体强度校核分析

5．1 前言

5．2 柔性立管整体线型分布

5．3 波浪载荷理论计算

5．3．1 波浪运动的控制方程

5．3．2 Airy波浪理论

5．3．3 波浪力计算

5．4 海流载荷理论计算

5．4．1 海流载荷计算

5．4．2 海流对波浪力的影响

5．5 海洋环境参数确定

5．5．1 波浪和海流环境参数

5．5．2 水动力系数及海床参数

5．5．3 FPSO相关参数

5．6 极端海况下的玻纤增强柔性立管整体强度分析

5．6．1 玻纤增强柔性立管整体静力学分析

5．6．2 玻纤增强柔性立管整体动力学分析

5．6．3 玻纤增强柔性立管组合载荷工况强度校核分析

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及已发表的学术论文

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