深水柔性立管及附件設(shè)計的關(guān)鍵力學(xué)問題研究.pdf

1、復(fù)合柔性立管是深水油氣開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備。不僅要求較小的彎曲半徑，還要求具有較大的抗外壓、抗內(nèi)壓、抗拉伸的能力及長期可靠的疲勞壽命，因此在柔性管道的設(shè)計、分析、測試、制造、安裝等方面均存在許多極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵力學(xué)問題。當(dāng)前，只有少數(shù)國外公司具備柔性管道及附件的設(shè)計與制造能力，不僅價格昂貴而且采購周期很長，嚴(yán)重制約了我國深水油氣資源開發(fā)的進程和效益。
　　典型的深水柔性立管系統(tǒng)包括管體及防彎器等附件，每個部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計都涉及比較復(fù)雜的

2、力學(xué)問題。特別需要指出的是，這其中關(guān)鍵是如何通過金屬鎧裝層的設(shè)計，控制深水環(huán)境下靜水外壓引起的屈曲失效與環(huán)境載荷引起的動態(tài)疲勞失效的發(fā)生。而為了對疲勞壽命進行設(shè)計，首先需要對立管在由于自重、浮體升沉運動等引起的軸向拉伸力與環(huán)境載荷、浮體運動等引起的曲率半徑作用下的復(fù)雜力學(xué)行為進行準(zhǔn)確分析與評價。此外，對于高性能防彎器設(shè)計，不僅要滿足立管最小彎曲半徑要求，更要實現(xiàn)抗疲勞性與經(jīng)濟性指標(biāo)的多目標(biāo)設(shè)計要求。因此，對于先進的柔性立管及附件設(shè)計，涉

3、及結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域多個前沿課題。
　　本文依托國家“十二五”863項目“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”專題(2012AA09A212)，對柔性立管及附件設(shè)計的關(guān)鍵力學(xué)問題進行了比較系統(tǒng)的研究。針對管體設(shè)計，首先建立并完善了深水柔性立管臨界壓潰力、抗拉剛度、最小彎曲半徑(MBR)與疲勞壽命等設(shè)計指標(biāo)的理論分析模型，并采用數(shù)值模型與原型測試對設(shè)計指標(biāo)與方法進行驗證。同時，在防彎器設(shè)計中建立了多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計模型。本文主要研究內(nèi)容、方法與結(jié)論

4、概括如下:
　　(1)柔性立管抗外壓設(shè)計的應(yīng)變能等效與計及加工缺陷的骨架層屈曲行為分析。
　　為了增加徑向剛度，同時不增加彎曲剛度，深水柔性立管采用了具有互鎖截面的金屬骨架層設(shè)計。由于骨架層結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，使其抗外壓屈曲設(shè)計與分析面臨建模與計算上的挑戰(zhàn)。本章提出了基于應(yīng)變能等效的抗屈曲設(shè)計方法，并通過對三組不同尺寸骨架層試件的徑向剛度測試對該方法進行了驗證。建立了考慮缺陷骨架層外壓下屈曲行為的三維有限元分析模型，并對骨架層成型

5、過程進行了三維有限元模擬，計算鋼板輥軋和扣壓互鎖過程所產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力。以某4寸海洋柔性管道骨架層為例，對其臨界壓潰力進行了設(shè)計與分析，并定量討論了初始橢圓度、材料非線性以及加工殘余應(yīng)力等缺陷對骨架層臨界壓潰力的影響。本章提出骨架層抗外壓屈曲設(shè)計方法與分析模型為深水柔性立管抗屈曲設(shè)計提供重要理論依據(jù)。
　　(2)柔性立管抗拉剛度的設(shè)計與驗證。
　　海洋柔性立管采用多根鋼絲螺旋纏繞圓柱結(jié)構(gòu)以增加軸向拉伸剛度，同時降低彎曲剛度

6、。本章考慮內(nèi)核圓柱的徑向收縮效應(yīng)，建立了螺旋鋼絲纏繞圓柱抗拉剛度的解析模型。同時建立了分析柔性管道軸向拉伸力學(xué)行為的三維有限元分析模型，并提出了驗證解析模型與數(shù)值模型的拉伸剛度測試方法。通過4寸內(nèi)徑柔性管道拉伸剛度實驗室原型測試，驗證了本章提出模型的正確性;以8寸內(nèi)徑深水柔性立管為例，進一步探討了不同設(shè)計參數(shù)對于管道拉伸剛度的影響。本章提出的抗拉剛度分析模型為海洋柔性管道抗拉設(shè)計提供有效的技術(shù)手段，同時為疲勞荷載分析與疲勞應(yīng)力計算提供理

7、論支持。
　　(3)柔性立管最小彎曲半徑的設(shè)計與驗證。
　　為了降低彎曲剛度，柔性立管金屬鎧裝層均采用螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)形式?；谀壳耙延械穆菪摻z彎曲應(yīng)力解析模型不足，提出了基于Spring（彈簧）理論的預(yù)測模型。同時建立螺旋纏繞鎧裝鋼絲的三維高精度有限元數(shù)值模型，對特定曲率下鋼絲的局部應(yīng)力進行計算。并以此數(shù)值分析結(jié)果為依據(jù)，對不同截面長寬比與螺旋纏繞角度情況下解析模型的適用性進行研究，進而驗證所提解析模型的合理性。進而對于螺

8、旋鋼絲不同設(shè)計參數(shù)對MBR的影響進行了分析，為柔性管道MBR快速設(shè)計提供理論依據(jù)。同時本章提出的螺旋鋼絲彎曲應(yīng)力分析方法為柔性立管疲勞應(yīng)力計算提供理論支持。
　　(4)考慮層間摩擦的柔性立管抗疲勞設(shè)計與疲勞測試驗證。
　　金屬螺旋鎧裝層間的接觸摩擦等強非線性因素使得海洋柔性立管疲勞壽命設(shè)計與分析存在關(guān)鍵力學(xué)問題的挑戰(zhàn)，也成為當(dāng)前國際海洋工程界研究的熱點問題之一。本章基于安全壽命設(shè)計方法提出了海洋柔性立管疲勞壽命的預(yù)測模型與流

9、程。建立了柔性管道非線性彎曲剛度的理論與有限元分析模型，并通過彎曲剛度測試結(jié)果對上述模型的正確性進行了驗證?；诖?，提出了基于非線性彎曲剛度的整體荷載分析模型。建立了海洋柔性立管非線性疲勞應(yīng)力的理論分析模型，包括拉伸、彎曲以及層間摩擦所引起的交變應(yīng)力組份。以1500米水深的8寸內(nèi)徑柔性立管為例，對其疲勞壽命進行計算，并對各種非線性因素與平均應(yīng)力的影響進行討論。此外，提出了基于純彎曲交變加載的柔性管道疲勞測試方法。以4寸內(nèi)徑柔性管道為例，

10、對其進行疲勞強度測試，并通過修正材料S-N曲線實現(xiàn)定量考慮層間磨損等不確定因素對疲勞壽命的影響。本章所提疲勞測試方法對模擬實際工況疲勞試驗無法驗證疲勞壽命設(shè)計進行了有力補充。
　　(5)柔性立管高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。
　　柔性立管高性能防彎器設(shè)計不僅需要滿足立管最小彎曲半徑要求，還要同時具備抗疲勞性與經(jīng)濟性。本章考慮防彎器材料非線性和幾何大變形，建立了柔性立管上彎段曲率分布的解析分析模型，同時建立三維有限元數(shù)值模型對解

11、析模型的正確性進行了驗證。以8寸柔性立管防彎器設(shè)計為例，分析了不同材料行為與形狀參數(shù)對柔性立管曲率分布的影響。以柔性立管抗疲勞性能和經(jīng)濟性為目標(biāo)函數(shù)，采用基于代理模型的優(yōu)化方法對防彎器結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進行了多目標(biāo)優(yōu)化，討論了不同優(yōu)化算法的計算精度和效率。同時給出了實例優(yōu)化設(shè)計的帕累托前沿，指導(dǎo)優(yōu)化結(jié)果的工程應(yīng)用。提出了一種基于樣條曲線的新型防彎器構(gòu)型，并通過與其他傳統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)型下的曲率結(jié)果比較驗證了其在立管曲率改進方面的優(yōu)勢，為高性能防彎器的