卷管鋪設(shè)系統(tǒng)樣機(jī)研制及管道力學(xué)性能研究.pdf

1、能源在人類生存和發(fā)展過程中扮演著重要的角色，而在所有能源中，石油和天然氣占有最主要地位。隨著陸地油氣資源開采殆盡，開發(fā)海洋油氣資源已迫在眉睫。在海洋油氣資源的開發(fā)過程中，需要將海底油氣輸送至陸地或者油氣船上。目前，世界各國主要采用海底管道作為油氣輸送工具。卷管鋪設(shè)是一種新型海底管道鋪設(shè)方式，在遠(yuǎn)距離管道鋪設(shè)中具有較大的優(yōu)勢(shì)。因此，開展卷管鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究，研制一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的卷管鋪設(shè)裝備，對(duì)打破國外技術(shù)封鎖，提高我國海洋工程裝備技

2、術(shù)水平具有重要意義。
　　本文首先介紹海底管道各種鋪設(shè)方法的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析歸納各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；針對(duì)論文研究的卷管鋪設(shè)法，對(duì)其涉及到的關(guān)鍵理論進(jìn)行綜述，具體包括：管道安全性、管道屈曲理論和管道校直理論。
　　提出卷管鋪設(shè)系統(tǒng)的總體方案。針對(duì)部件結(jié)構(gòu)尺寸和重量較大的問題，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想。根據(jù)部件的功能和特點(diǎn)，將整個(gè)系統(tǒng)分為滾筒、校準(zhǔn)器、校直器、張緊器和鋪設(shè)塔架五個(gè)部分。并對(duì)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，

3、對(duì)系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)和控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　針對(duì)卷管鋪設(shè)中管道受力較大易失效的問題，提出一種管道安全性的判定方法。通過分析管道的失效機(jī)理和鋪設(shè)過程中的受力狀況，得到管道極限載荷承載能力和極限應(yīng)變能力，并對(duì)影響管道安全性的因素進(jìn)行研究。采用該方法對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)中管道的安全性進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文滾筒設(shè)計(jì)的正確性。
　　研究卷管鋪設(shè)中上卷時(shí)管道的屈曲問題。以非線性環(huán)理論為基礎(chǔ)，建立起管道橫截面變形和曲率之間的關(guān)系；考慮管道和滾筒之間的接觸

4、，基于虛功原理，獲得橫截面變形和外界載荷之間的平衡方程；并用牛頓-拉夫森迭代法進(jìn)行求解，獲得管道在上卷過程中彎矩和橢圓度的變化。分析管道幾何、材料參數(shù)以及彈性回彈對(duì)管道屈曲的影響。采用陸地試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法驗(yàn)證該方法的正確性。
　　針對(duì)管道上卷后殘余撓度較大的問題，建立一種連續(xù)、快速的校直模型，獲得了校直反彎下壓量和校直行程?；谧钚?shì)能原理，獲得管道單位長度上的最大彈性壓力，建立起校直器壓點(diǎn)、支點(diǎn)和管道性能之間的關(guān)系。以彈塑

5、性理論為基礎(chǔ)，通過求解管道彎矩、塑彎比從而獲得管道校直曲率和初始曲率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為便于鋪設(shè)過程中校直器的操作，進(jìn)一步得到管道的校直反彎下壓量和校直行程。通過研究材料、幾何參數(shù)對(duì)校直曲率的影響，將校直曲率公式進(jìn)行簡化。基于ANSYS對(duì)管道校直過程進(jìn)行分析，通過仿真結(jié)果和理論結(jié)果的比較分析，驗(yàn)證校直模型和理論的正確性。
　　開展卷管鋪設(shè)試驗(yàn)研究。研制卷管鋪設(shè)系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)，搭建海試試驗(yàn)平臺(tái)。通過樣機(jī)調(diào)試、碼頭上卷試驗(yàn)和海上退卷試驗(yàn)，