非粘结柔性立管截面非线性响应及螺旋层失效特性研究
在深海油气资源开采过程中,非粘结柔性立管是一种相对高效的油气输送工具。随着油气需求的增长和海洋工程技术的发展,深海油气的开采规模正在逐步扩大。非粘结柔性立管为多层复合结构,形式复杂,其截面力学性能和典型失效模式的研究对于保证海洋油气的安全生产和输送至关重要。<br>  我国南海是世界四大海洋油气资源区之一,油气蕴藏量丰富,资源利用前景广阔,需要迫切提高相关的海洋油气开发技术水平。工业及学术界对非粘结柔性立管在深海中的力学性能尚未完全掌握,而非粘结柔性立管是非常重要的海洋工程结构物,对其开展截面非线性力学响应和典型失...
在深海油气资源开采过程中,非粘结柔性立管是一种相对高效的油气输送工具。随着油气需求的增长和海洋工程技术的发展,深海油气的开采规模正在逐步扩大。非粘结柔性立管为多层复合结构,形式复杂,其截面力学性能和典型失效模式的研究对于保证海洋油气的安全生产和输送至关重要。
  我国南海是世界四大海洋油气资源区之一,油气蕴藏量丰富,资源利用前景广阔,需要迫切提高相关的海洋油气开发技术水平。工业及学术界对非粘结柔性立管在深海中的力学性能尚未完全掌握,而非粘结柔性立管是非常重要的海洋工程结构物,对其开展截面非线性力学响应和典型失效模式研究具有非常重要的工程应用价值。本文从材料非线性、几何非线性、循环载荷下的迟滞特性以及载荷间耦合研究非粘结柔性立管截面非线性响应;基于等效刚度理论计算骨架层和抗压铠装层等效厚度,并开展了不规则截面螺旋层压溃失效分析;同时,采用数值方法研究了抗拉铠装层螺旋带的侧向屈曲问题。
  首先,本文对非粘结柔性立管的结构和不同条件下的典型失效模式进行了具体阐述。分别阐述了非粘结柔性立管骨架层、抗压铠装层、抗拉铠装层和内外护套层的结构和作用,具体阐述了骨架层和抗压铠装层的椭圆压溃、心形压溃,抗拉铠装层的断裂失效,鸟笼失效和侧向屈曲失效。总结整理了国内外非粘结柔性立管截面力学响应、骨架层和抗压铠装层椭圆压溃以及抗拉铠装层侧向屈曲的研究现状。
  基于对非粘结柔性立管截面力学响应的理论研究方法和数值研究方法的总结,结合功能原理和Ramberg-Osgood弹塑性模型研究了材料非线性对非粘结柔性立管截面力学性能的影响,采用数值模型分析了几何非线性的影响,计算结果表明抗拉铠装层材料的塑性变化对立管的非线性响应影响最大;通过加载拉力、轴压、扭矩以及外压等载荷,研究了非粘结柔性立管在循环载荷下的迟滞特性,立管层间的摩擦强弱对立管迟滞响应具有明显的影响。
  非粘结柔性立管截面力学响应研究将非粘结柔性立管作为整体,对其承载能力和受力规律进行预测,而对于非粘结柔性立管各主要承力层,其典型失效模式研究更具针对性。这两部分研究内容均对保障非粘结柔性立管安全运行至关重要。对于骨架层和抗压铠装层的椭圆压溃研究,本文在总结现有的等效厚度的计算方法的基础上,对等效刚度方法进行了理论修正,在现有公式中增加一个形状因子,通过推导得到形状因子与半径的倒数之间的线性关系;基于上述推导,提出一种半理论半数值的等效厚度求解方法-修正等效刚度方法,通过数值计算求出了骨架层模型和抗压铠装层模型的形状因子,验证了理论推导过程。
  针对本文提出的骨架层和抗压铠装层修正等效刚度方法,通过径向压缩实验与数值计算对比,验证了上述半理论半数值方法的有效性;和现有的其他方法对比,骨架层和抗压铠装层模型均表明本文提出的等效厚度计算方法极大地提高了计算精度;本文结合重叠率、铺设角度和摩擦系数,对形状因子的稳定性进行讨论分析。
  与骨架层和抗压铠装层类似,抗拉铠装层同为螺旋结构,由多根螺旋钢带缠绕而成,主要承受轴向载荷。本文主要研究了抗拉铠装层的侧向屈曲失效模式,通过建立非粘结柔性立管简化数值模型,将数值结果与现有实验结果对比,验证了简化模型的有效性;结合抗拉铠装层螺旋带稳定性研究方法,深入分析了湿环境下抗拉铠装层螺旋钢带的侧向屈曲过程,研究了抗拉铠装层层间间隙产生-扩展-聚合的过程。
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作者: 刘文成
学科专业: 船舶与海洋工程
授予学位: 硕士
学位授予单位: 哈尔滨工程大学
导师姓名: 任少飞 李剑钊
学位年度: 2018
语 种: chi
分类号: TE973.92
在线出版日期: 2019年1月5日