钢带缠绕复合管力学性能及可靠性分析

发布时间：2020-09-17 17:03

【摘要】：钢带缠绕复合管(SSRTP)由于其自身良好的特性,被越来越多的浅海管道工程师所青睐。SSRTP管在安装及服役过程中,不可避免的会受到环境载荷及相应的工作载荷,同时也会面临一系列的不确定因素,这将给管道的安全使用带来极大的挑战。为了确保管道在安装及使用过程中的完整性及可靠性,需要仔细评估SSRTP管在不同载荷工况下的力学性能以及其相关的设计安全系数。本文的研究内容主要包括以下几个方面:1)SSRTP管在外压作用下的屈曲失稳基于实验和有限元的方法,研究了 SSRTP管在外压作用下的压溃响应。通过液压缸完成SSRTP管的全尺寸实验,并采用商业有限元软件ABAQUS来模拟其压溃响应。将两种方法得出的压溃压力作对比,以验证所提出有限元模型的准确性。另外,给出评估SSRTP管抗外压能力下限值的简化理论公式,并通过数值模拟的方法探究了管道的初始缺陷、几何构型、层间摩擦系数等因素对管道抗压溃能力的影响。2)SSRTP管在弯曲和外压组合载荷作用下的结构响应在弯曲和外压组合载荷作用下,通过实验以及有限元的方法研究了 SSRTP管在初始曲率下的压溃响应情况。同时,对管道最终抗压溃能力的影响因素如初始弯曲半径、钢带增强层的缠绕角度、径厚比、钢带条数等做了相关的参数分析。3)SSRTP管在拉伸载荷作用下的结构响应考虑SSRTP管的材料非线性、层间接触、摩擦等问题,通过ABAQUS有限元软件模拟管道在纯拉伸载荷作用下的力学响应。同时对SSRTP管进行全尺寸单轴拉伸实验,并将得到的位移-轴向拉力实验曲线与有限元模拟得出的结果作比对,以验证所提出的有限元模型准确性。并系统的探究了纯拉伸情况下PE层和钢带增强层的力学响应以及增强层在此受力过程中所起的作用。4)SSRTP管在轴对称载荷作用下的理论模型研究基于静力平衡,提出SSRTP管在轴对称载荷作用下计算其拉伸刚度的力学模型,该模型考虑了层间压力以及PE材料的弹塑性。并使用ABAQUS有限元模型及相关的实验数据验证了三组不同载荷工况下该理论模型计算SSRTP管力学响应的准确性。通过相关参数分析,得出了一些对工程实践有意义的结论。5)SSRTP管的设计安全系数矫正以SSRTP管在外压载荷作用的情况下为例,基可靠性分析方法矫正了 SSRTP管的设计安全系数。通过引进目标可靠指标,联合使用Monte-Carlo以及一次二阶矩(FORM)的方法矫正了 SSRTP管的分项安全系数。同时,研究了所得安全系数与SSRTP管中主要参数变量的变异系数关系以及不同分布类型的抗力和载荷对结果的影响。而后,给出SSRTP管在工程使用中的推荐设计安全系数值。该安全系数的矫正过程简单易懂,特别适用于所研究的问题中有大量的基本变量甚至要求迭代求解的力学模型。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2
【图文】：

静态卸油系统，也可以作为立管以多种构型与分布形式进行应用，如Ｌａｚｙ－ｗａｖｅ、Ｌａｚｙ＿ｓ、逡逑Ｓｔｅｅｐ－ｗａｖｅ、Ｓｔｅｅｐ－Ｓ、Ｔｅｔｈｅｒｅｄｗａｖｅ、Ｃｈｉｎｅｓｅｌａｎｔｅｍ邋等，在各种环境下与浮式生产设备可逡逑很好地进行协同工作（如图１－２所示），甚至于在某些海况条件较为恶劣的海域，柔性管成逡逑为了最佳或唯一的选择。逡逑黑浮式生产系统逡逑（ｆｐｓ）逡逑凰逡逑单点载油浮简逦Ｉ逦１．０逡逑，￣￣￣＾邋－—邋一邋＾逡逑＼邋、锚泊线逦ｙ邋Ｖ邋＼＼逡逑＼＾立邋＊逦Ａ逡逑／邋冶麻管违丨、管道终端逦ｙ／箱贱逦＼、、、、、逡逑逦生产立ｆ邋＼＼＞泊戍逡逑甲逦°？邋ｓ．？ｐｓ逦自由悬入逡逑＼邋Ｓ．逦悬链线立管逡逑、＾逦＼ｊ＼逦立管底座！＾逦海底管遣逡逑ＪＴ邋Ｗ邋＾邋＾邋ｗＶ？邋ｕ邋ｍ邋ｌｌｔ逦＾邋＾邋￣３５＝￣４＊－￣地峨丨聆逡逑图１－２柔性管典型构型与应用［２７］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｉｐｅｓ逡逑随着我国海洋油气开发的推进，柔性管得到越来越多的应用。我国用于海底油气开发逡逑的柔性管道起步较晚，其设计、制造、施工等总体水平与国际先进水平仍存在较大差距。逡逑目前柔性管尤其是非粘接柔性管属于垄断行业，只有国际石油巨头公司（Ｔｅｃｈｎｉｐ、逡逑Ｗｅｌｌｓｔｒｅａｍ、ＮＫＴＦｌｅｘｂｉｌｅｓ）才掌握核心生产制造技术，因此有必要探究柔性管道的设计逡逑并深入研究柔性管的相关力学性能

浙江大学工学博士学位论文逦第１章绪论逡逑中最具潜力以及最受青睐的输运工具，其典型的结构形式如图１－３所示所示ｔＭ。逡逑图１－３非粘结柔性管典型结构筒图［３２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｃａｌ邋ｕｎｂｏｎｄｅｄ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｉｐｅｓ逡逑非粘接柔性管各主要功能层的结构和作用说明如下：逡逑骨架层（Ｃａｒｃａｓｓ）：由Ｓ型截面的钢带以接近９０°的缠绕角度缠绕形成螺旋自锁结构，逡逑如图１＿４所示，该自锁结构可与弹簧类比，保证其有足够的弯曲性能。该层主要用于抵抗逡逑外压荷载，材料为不锈钢，防止腐蚀。逡逑图１－４骨架层实物截面形状与简图［３２］逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－４邋Ｃａｒｃａｓｓ邋ｉｍａｇｅ逡逑内压力护套Ｃｌｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｈｅａｔｈ）：由聚合物材料制成的空心圆管，主要用于密封逡逑隔离腔内流体、传输油气、传递内外压力、防止内外层之间金属摩擦受损。常用的聚合物逡逑材料有：聚酰胺（ＰＡ），聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ），聚乙烯（ＰＥ）。逡逑抗压铠装层（Ｐｒｅｓｓｕｒｅａｍｉｏｒ）：与骨架层类似，该层也是由异型截面的钢带以接近９０°逡逑螺旋角度缠绕而成的一种自锁结构，其主要使用截面类型如图１－５所示。该层起到支撑内逡逑护套并抵抗内压荷载的作用

浙江大学工学博士学位论文逦第１章绪论逡逑中最具潜力以及最受青睐的输运工具，其典型的结构形式如图１－３所示所示ｔＭ。逡逑图１－３非粘结柔性管典型结构筒图［３２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｃａｌ邋ｕｎｂｏｎｄｅｄ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ邋ｐｉｐｅｓ逡逑非粘接柔性管各主要功能层的结构和作用说明如下：逡逑骨架层（Ｃａｒｃａｓｓ）：由Ｓ型截面的钢带以接近９０°的缠绕角度缠绕形成螺旋自锁结构，逡逑如图１＿４所示，该自锁结构可与弹簧类比，保证其有足够的弯曲性能。该层主要用于抵抗逡逑外压荷载，材料为不锈钢，防止腐蚀。逡逑图１－４骨架层实物截面形状与简图［３２］逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－４邋Ｃａｒｃａｓｓ邋ｉｍａｇｅ逡逑内压力护套Ｃｌｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｈｅａｔｈ）：由聚合物材料制成的空心圆管，主要用于密封逡逑隔离腔内流体、传输油气、传递内外压力、防止内外层之间金属摩擦受损。常用的聚合物逡逑材料有：聚酰胺（ＰＡ），聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ），聚乙烯（ＰＥ）。逡逑抗压铠装层（Ｐｒｅｓｓｕｒｅａｍｉｏｒ）：与骨架层类似，该层也是由异型截面的钢带以接近９０°逡逑螺旋角度缠绕而成的一种自锁结构，其主要使用截面类型如图１－５所示。该层起到支撑内逡逑护套并抵抗内压荷载的作用

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 林伯强;李江龙;;环境治理约束下的中国能源结构转变——基于煤炭和二氧化碳峰值的分析[J];中国社会科学;2015年09期

2 林智钦;;中国能源环境中长期发展战略[J];中国软科学;2013年12期

3 方娜;陈国明;朱红卫;孟会行;;海底管道泄漏事故统计分析[J];油气储运;2014年01期

4 董磊磊;张崎;黄一;;基于能量法的非黏合柔性立管轴对称响应分析[J];华中科技大学学报(自然科学版);2013年05期

5 杨旭;孙丽萍;艾尚茂;;深水无粘结柔性管抗拉伸层屈曲问题研究进展[J];海洋工程;2013年01期

6 王国雨;;浅谈我国深海石油勘探的现状及发展前景[J];科技资讯;2013年03期

7 ;中国海洋石油资源分布概况[J];吐哈油气;2012年04期

8 孙巍;;深海石油工程装备技术发展现状及展望[J];中外能源;2012年09期

9 张锐;;南海经济资源的国家博弈[J];中关村;2012年09期

10 ;Buckling response of offshore pipelines under combined tension, bending, and external pressure[J];Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering);2011年08期

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 陆钰天;深水柔性立管截面力学模型与疲劳寿命分析研究[D];浙江大学;2017年

2 汤明刚;深水柔性立管及附件设计的关键力学问题研究[D];大连理工大学;2015年

3 刘金朋;基于资源与环境约束的中国能源供需格局发展研究[D];华北电力大学;2013年

4 张瑞;环境规制、能源生产力与中国经济增长[D];重庆大学;2013年

5 卢青针;水下生产系统脐带缆的结构设计与验证[D];大连理工大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 李伟民;海洋非粘结柔性管压溃理论分析及数值模拟研究[D];中国海洋大学;2015年

2 赵冠男;海洋非粘结柔性管抗压溃设计与实验验证研究[D];大连理工大学;2013年

3 肖能;水下生产系统脐带缆截面设计与分析[D];大连理工大学;2011年

4 陈耕;海洋非粘结柔性管线的横截面力学性能分析[D];哈尔滨工程大学;2011年

本文编号：2820981