海洋柔性立管作為各國深海石油開采的一把利器,因具有較好的柔性、耐腐蝕性、重量輕以及安裝方便等諸多優(yōu)點,正逐步取代傳統(tǒng)的鋼制管道,成為未來海工發(fā)展的一個主要趨勢。由于我國在海洋柔性立管研究方面起步較晚,國外又對出口的柔性立管產品實行嚴格的技術保密和專利保護,從而導致了我國現今深海開發(fā)所使用的海洋柔性立管產品全部依靠進口,這不僅增加了企業(yè)的生產成本,而且還嚴重影響了我國深海石油開發(fā)的進程,因此對海洋柔性立管的國產化研制已經刻不容緩,這也必將會成為我國未來海工發(fā)展的一個重點方向。本文以一種典型的粘結性非金屬海洋柔性立管——熱塑性玻纖增強柔性立管為研究對象,針對其關鍵工藝的制備流程、增強層截面結構設計、截面力學性能研究、極端海況下的整體強度分析這幾個方面做了一些基礎性的研究,具體研究工作總結如下:(1)研究了玻纖增強柔性立管的兩個關鍵工藝的制備流程即增強層的纖維纏繞工藝和內襯層的三層共擠工藝流程,并對這兩個工藝流程中所使用到的關鍵設備以及制備過程中出現的部分問題進行了簡要的介紹和分析。(2)根據深海500米處使用的海洋柔性立管技術設計指標,利用ABAQUS有限元軟件,參考DNV-RP-F119標準,對玻纖增強柔性立管的增強層截面結構進行了單一螺旋角度纏繞和多角度纏繞這兩種纏繞方案的結構設計,并最終設計出了滿足強度要求的單一螺旋角度纏繞結構的柔性立管其增強層最小纏繞厚度為11.4mm,最優(yōu)纏繞角度為±60°;多角度纏繞結構的柔性立管其增強層結構從內到外分別為:抗壓層為4mm(纏繞角度為90°)、抗拉層為3.6mm(纏繞角度±30°)、補強層為4mm(纏繞角度為±55°)。(3)利用ABAQUS有限元軟件并結合材料力學公式計算了兩種不同增強層纏繞結構的玻纖增強柔性管的拉伸、彎曲和扭轉剛度值,計算結果顯示多角度纏繞結構柔性管的三種剛度值分別為129074744N、512.36KN.m2、750000N.m2,均大于單一螺旋角度纏繞結構柔性管的這三種剛度值119593220N、459.5KN.m2、600000N.m2。此外,本文還計算了這兩種柔性管模型在無內壓和有內壓作用下的最小彎曲半徑,計算結果顯示單一螺旋角度纏繞柔性管在無內壓和有內壓作用下的最小彎曲半徑分別為3.79m和8.57m,均小于多角度纏繞柔性管在無內壓和有內壓作用下的最小彎曲半徑3.87m和9.23m。(4)針對玻纖增強柔性立管在極端海況下的整體強度分析,以綜合力學性能較好的多角度纏繞柔性立管模型為研究對象,采用了從整體到局部的強度分析方法,利用專業(yè)的海工軟件Orcaflex首先進行了整體靜力學分析,確定出該柔性立管的危險區(qū)域為拉伸張力最大的頂部懸掛區(qū)域和彎矩最大的底部觸地段區(qū)域;然后再針對這兩個危險區(qū)域基于船體在近位點、遠位點這兩個典型位置分別進行100年一遇海流和10年一遇波浪聯(lián)合作用、10年一遇海流和100年一遇波浪聯(lián)合作用下的動力學分析,提取危險截面的最大拉伸張力和最大彎矩,并作為后續(xù)局部模型強度校核分析的邊界條件;最后對柔性管的局部模型進行強度校核分析,校核結果顯示所設計的多角度纏繞柔性立管能夠滿足在這兩種極端海況下服役的強度要求。
【學位單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P756.2;TE95
【部分圖文】：

如圖Ｍ所示，據統(tǒng)計目前世界上被發(fā)現的海上油田數量已經高達１６００多個，其??中大約有２００多個油氣田已經進入投產狀態(tài)，年產石油量高占全世界石油總產量的??１／３［４１。我國海域遼闊，海疆面積約為３００多萬平方公里，油氣資源極為豐富，如圖１－２??所示，例如具有“第二波斯灣”之稱的南海，現已被探測到的油氣構造數量己經多達??２００多個［５＿８］。雖然目前我國海上油氣資源儲量較高，但是這些油氣資源卻大部分位于??深水和超深水海域，限于我國目前的海工裝備技術水平與西方發(fā)達國家相比較為落??后，因此現今仍然主要以邊際油田開發(fā)為主，對海深３００米以上的海域開發(fā)較為困難，??而西方發(fā)達國家在這方面卻早己實現了?２４３８ｍ水深的石油開采??隨著南海被發(fā)現蘊藏豐富的油氣資源后，越南、菲律賓等東南亞各國家爭先邀攬??掌握先進深海開采技術的西方國家，以合作的方式與其進行掠奪性地開采南海油氣資??源，據統(tǒng)計，己有２００多家石油公司在南海鉆井，總量接近兩千口，年產石油總量５０００??萬噸。目前我國海洋石油資源開發(fā)形式嚴峻

粘結性柔性管結構較為復雜，目前主由Ｔｅｃｈｎｉｐ、Ｄｅｅｐｆｌｅｘ、Ｗｅｌｌｓｔｒｅａｍ和ＮＫＴ等國??外公司壟斷生產，截面結構從內到外一般包括：骨架層、內襯層、抗壓層、耐磨層、??抗拉層、絕緣層和外保護層，如圖１－３所示。非粘結性柔性管的骨架層、抗壓層和抗??拉層是通過鋼帶按照不同的設計角度纏繞而成，具有較好的抗壓性。由于為非粘結性??海洋柔性管，在服役期間，層與層之間經常發(fā)生相互滑移現象，因此會對柔性管造成??嚴重的疲勞損傷，甚至會出現層間脫離和功能層結構失效問題，嚴重影響了管道的使??用壽命。粘結性非金屬柔性管結構則較為簡單，一般由內襯層、增強層、外保護層三??大部分組成，如圖１－４所示，目前主要由Ａｉｒｂｏｎｅ和Ｍａｇｍａ等國外公司研制生產，它??們掌握著整套粘結性非金屬柔性管的核心制備技術。粘結性非金屬柔性管的增強層是??基于熱粘合纏繞工藝，通過纖維帶不同角度的纏繞制備而成，內部各層之間相互粘結??固定，不會出現類似于非粘結性柔性管一樣的層間相互滑移現象，因此較非粘結性柔??性管具有更好的耐疲勞性

粘結性柔性管結構較為復雜，目前主由Ｔｅｃｈｎｉｐ、Ｄｅｅｐｆｌｅｘ、Ｗｅｌｌｓｔｒｅａｍ和ＮＫＴ等國??外公司壟斷生產，截面結構從內到外一般包括：骨架層、內襯層、抗壓層、耐磨層、??抗拉層、絕緣層和外保護層，如圖１－３所示。非粘結性柔性管的骨架層、抗壓層和抗??拉層是通過鋼帶按照不同的設計角度纏繞而成，具有較好的抗壓性。由于為非粘結性??海洋柔性管，在服役期間，層與層之間經常發(fā)生相互滑移現象，因此會對柔性管造成??嚴重的疲勞損傷，甚至會出現層間脫離和功能層結構失效問題，嚴重影響了管道的使??用壽命。粘結性非金屬柔性管結構則較為簡單，一般由內襯層、增強層、外保護層三??大部分組成，如圖１－４所示，目前主要由Ａｉｒｂｏｎｅ和Ｍａｇｍａ等國外公司研制生產，它??們掌握著整套粘結性非金屬柔性管的核心制備技術。粘結性非金屬柔性管的增強層是??基于熱粘合纏繞工藝，通過纖維帶不同角度的纏繞制備而成，內部各層之間相互粘結??固定，不會出現類似于非粘結性柔性管一樣的層間相互滑移現象，因此較非粘結性柔??性管具有更好的耐疲勞性
【參考文獻】

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本文編號：2850188