深水柔性立管及附件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、復(fù)合柔性立管是深水油氣開(kāi)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(zhǎng)期可靠的疲勞壽命，因此在柔性管道的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)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(wèn)題。當(dāng)前，只有少數(shù)國(guó)外公司具備柔性管道及附件的設(shè)計(jì)與制造能力，不僅價(jià)格昂貴而且采購(gòu)周期很長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了我國(guó)深水油氣資源開(kāi)發(fā)的進(jìn)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(gè)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都涉及比較復(fù)雜的

2、力學(xué)問(wèn)題。特別需要指出的是，這其中關(guān)鍵是如何通過(guò)金屬鎧裝層的設(shè)計(jì)，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(dòng)態(tài)疲勞失效的發(fā)生。而為了對(duì)疲勞壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)立管在由于自重、浮體升沉運(yùn)動(dòng)等引起的軸向拉伸力與環(huán)境載荷、浮體運(yùn)動(dòng)等引起的曲率半徑作用下的復(fù)雜力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確分析與評(píng)價(jià)。此外，對(duì)于高性能防彎器設(shè)計(jì)，不僅要滿足立管最小彎曲半徑要求，更要實(shí)現(xiàn)抗疲勞性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的多目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。因此，對(duì)于先進(jìn)的柔性立管及附件設(shè)計(jì)，涉

3、及結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域多個(gè)前沿課題。
　　本文依托國(guó)家“十二五”863項(xiàng)目“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”專題(2012AA09A212)，對(duì)柔性立管及附件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。針對(duì)管體設(shè)計(jì)，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(jì)指標(biāo)的理論分析模型，并采用數(shù)值模型與原型測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)與方法進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，在防彎器設(shè)計(jì)中建立了多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。本文主要研究?jī)?nèi)容、方法與結(jié)論

4、概括如下:
　　(1)柔性立管抗外壓設(shè)計(jì)的應(yīng)變能等效與計(jì)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(shí)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(jì)。由于骨架層結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，使其抗外壓屈曲設(shè)計(jì)與分析面臨建模與計(jì)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(jì)方法，并通過(guò)對(duì)三組不同尺寸骨架層試件的徑向剛度測(cè)試對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)骨架層成型

5、過(guò)程進(jìn)行了三維有限元模擬，計(jì)算鋼板輥軋和扣壓互鎖過(guò)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(duì)其臨界壓潰力進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)方法與分析模型為深水柔性立管抗屈曲設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)。
　　(2)柔性立管抗拉剛度的設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)證解析模型與數(shù)值模型的拉伸剛度測(cè)試方法。通過(guò)4寸內(nèi)徑柔性管道拉伸剛度實(shí)驗(yàn)室原型測(cè)試，驗(yàn)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(jìn)一步探討了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(jì)提供有效的技術(shù)手段，同時(shí)為疲勞荷載分析與疲勞應(yīng)力計(jì)算提供理

7、論支持。
　　(3)柔性立管最小彎曲半徑的設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(cè)模型。同時(shí)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(duì)特定曲率下鋼絲的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。并以此數(shù)值分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)不同截面長(zhǎng)寬比與螺旋纏繞角度情況下解析模型的適用性進(jìn)行研究，進(jìn)而驗(yàn)證所提解析模型的合理性。進(jìn)而對(duì)于螺

8、旋鋼絲不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)MBR的影響進(jìn)行了分析，為柔性管道MBR快速設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)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(jì)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(jì)與疲勞測(cè)試驗(yàn)證。
　　金屬螺旋鎧裝層間的接觸摩擦等強(qiáng)非線性因素使得海洋柔性立管疲勞壽命設(shè)計(jì)與分析存在關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的挑戰(zhàn)，也成為當(dāng)前國(guó)際海洋工程界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本章基于安全壽命設(shè)計(jì)方法提出了海洋柔性立管疲勞壽命的預(yù)測(cè)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(guò)彎曲剛度測(cè)試結(jié)果對(duì)上述模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)其疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)各種非線性因素與平均應(yīng)力的影響進(jìn)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(cè)試方法。以4寸內(nèi)徑柔性管道為例，

10、對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度測(cè)試，并通過(guò)修正材料S-N曲線實(shí)現(xiàn)定量考慮層間磨損等不確定因素對(duì)疲勞壽命的影響。本章所提疲勞測(cè)試方法對(duì)模擬實(shí)際工況疲勞試驗(yàn)無(wú)法驗(yàn)證疲勞壽命設(shè)計(jì)進(jìn)行了有力補(bǔ)充。
　　(5)柔性立管高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　柔性立管高性能防彎器設(shè)計(jì)不僅需要滿足立管最小彎曲半徑要求，還要同時(shí)具備抗疲勞性與經(jīng)濟(jì)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(shí)建立三維有限元數(shù)值模型對(duì)解

11、析模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。以8寸柔性立管防彎器設(shè)計(jì)為例，分析了不同材料行為與形狀參數(shù)對(duì)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(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，采用基于代理模型的優(yōu)化方法對(duì)防彎器結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，討論了不同優(yōu)化算法的計(jì)算精度和效率。同時(shí)給出了實(shí)例優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)與其他傳統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)型下的曲率結(jié)果比較驗(yàn)證了其在立管曲率改進(jìn)方面的優(yōu)勢(shì)，為高性能防彎器的