深海复合材料立管渐进损伤分析

发布时间：2020-09-26 17:42

　　 随着油气资源的开发向着深海领域发展,海洋立管作为深海油气开发系统中的重要构件,以往的钢制立管已经不足以满足其设计要求。复合材料立管相对于金属立管,具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀等众多优势,成为深海立管设计的新选择。但复合材料因自身缺陷在工况复杂的海洋环境容易发生损伤破坏,进而造成无法预计的灾害。因此,对复合材料立管损伤的研究有重要的理论意义和实用价值。复合材料的破坏是一个渐进的过程。本文基于渐进损伤原理,通过编写有限元软件用户子程序功能,对这一过程进行了仿真模拟。首先研究了复合材料铺层角度和铺层顺序对结构产生损伤的初始载荷,损伤类型,极限载荷和损伤扩展的影响。然后以海洋立管的简化结构——金属内衬外缠绕纤维增强复合材料立管为研究对象,针对不同结构设计参数对复合材料海洋立管强度的影响及内衬金属变形的三阶段(弹性、塑性、破坏)下复合材料层不同区域的破坏情形进行了分析。最后考虑到海洋立管实际生产中可能存在的问题,设计一种金属内衬层含轴向初始裂纹的复合材料海洋立管,探究了不同初始裂纹尺寸及初始裂纹所处位置的不同对海洋立管复合材料层损伤的影响。为复合材料在海洋立管中的使用提供理论参考。本文研究发现,铺层角越大,立管产生损伤的初始载荷越小,损伤形式越单一,轴向的强度越小,[0°/45°/-45°/90°]_T的铺层设计对于结构抵抗轴拉载荷的作用更为有利。立管内衬层的减薄使得应力在厚度方向上增大,结构提前发生破坏,不利于结构对内压的承载。金属和复合材料界面处缠绕角为45°时,应力在界面的递减率最大,其抗压承载能力较强。复合材料在金属塑性变形阶段丧失大部分承载力,立管边界区域控制结构径向损伤起始和发展,立管中段区沿厚度方向应力稳定,不易产生损伤。初始裂纹的存在对立管的承载能力影响显著,深、长尺寸的增加会使得金属内衬层起裂压力和复合材料层损伤起始载荷下降,且深度变化影响更大。对比于萌生于立管内衬层中部的轴向裂纹,近端面处的初始裂纹对金属内衬层的破坏影响较大,对复合材料层的损伤影响较小。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章 绪 论题研究背景及意义管当今世界对新型能源的发展速度有着最乐观预期，但石油和天然较长时期内充当最重要的能源角色的局面也难以否认。而油气勘察发展之后，陆地及近海域开发的高峰期已经过去，对于新的油气田向深海区域探索，自上世纪八十年代以来，全球已探明近百个深海，而规模多达亿吨级的就占有 30%之多。图 1-1 示意了深海油气产量势。但深海油气田小且分布较为分散的特点，也为勘探开发技术提战。

但深海油气田小且分布较为分散的特点，也为勘探开发技。图 1-1 深海油气产量及占世界总产量的比值[1]深海油气资源开发的重要水下装备，海洋立管是连接海底管并进行油气开发与传输的唯一途径，其用途广泛，主要包括生水、运输等。图 1-2 示意了包含海洋立管在内的一个完整的海

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性立管和柔性立管可按其结构形式的不同作为海洋立管的两大分类管根据其几何形式的不同又可划分为顶张力式（TTR）与钢悬链线式TTR 立管的端部受浮体提供的顶部张力控制，其底部与井口铰接，较大的漂移运动时其不能与之相适应，且顶部张力和浮体垂荡运动海底深度的增加会变得更加困难；SCR 立管中海底管线与立管是组两侧分别连接海底采油口和海面浮式结构，且同海底管线结构之间而使得水下施工量的难度大大降低，但由于其触底点的特点，当浮环境的作用下发生运动时，在立管同大刚度的海底表面作用力下，，产生的疲劳效应会对其造成严重的损伤。同以上刚性立管相比，弯曲变形的能力较弱，其内部各层可相对移动，可适应顶端较大范且具有易安装、低成本、环保等优点。图 1-3 为两种立管示意图。

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本文编号：2827278