粘結(jié)性非金屬海洋柔性立管截面結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析.pdf

1、海洋柔性立管作為各國深海石油開采的一把利器，因具有較好的柔性、耐腐蝕性、重量輕以及安裝方便等諸多優(yōu)點，正逐步取代傳統(tǒng)的鋼制管道，成為未來海工發(fā)展的一個主要趨勢。由于我國在海洋柔性立管研究方面起步較晚，國外又對出口的柔性立管產(chǎn)品實行嚴格的技術(shù)保密和專利保護，從而導(dǎo)致了我國現(xiàn)今深海開發(fā)所使用的海洋柔性立管產(chǎn)品全部依靠進口，這不僅增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且還嚴重影響了我國深海石油開發(fā)的進程，因此對海洋柔性立管的國產(chǎn)化研制已經(jīng)刻不容緩，這也必將

2、會成為我國未來海工發(fā)展的一個重點方向。
　　本文以一種典型的粘結(jié)性非金屬海洋柔性立管——熱塑性玻纖增強柔性立管為研究對象，針對其關(guān)鍵工藝的制備流程、增強層截面結(jié)構(gòu)設(shè)計、截面力學(xué)性能研究、極端海況下的整體強度分析這幾個方面做了一些基礎(chǔ)性的研究，具體研究工作總結(jié)如下:
　　(1)研究了玻纖增強柔性立管的兩個關(guān)鍵工藝的制備流程即增強層的纖維纏繞工藝和內(nèi)襯層的三層共擠工藝流程，并對這兩個工藝流程中所使用到的關(guān)鍵設(shè)備以及制備過程中出現(xiàn)

3、的部分問題進行了簡要的介紹和分析。
　　(2)根據(jù)深海500米處使用的海洋柔性立管技術(shù)設(shè)計指標，利用ABAQUS有限元軟件，參考DNV-RP-F119標準，對玻纖增強柔性立管的增強層截面結(jié)構(gòu)進行了單一螺旋角度纏繞和多角度纏繞這兩種纏繞方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并最終設(shè)計出了滿足強度要求的單一螺旋角度纏繞結(jié)構(gòu)的柔性立管其增強層最小纏繞厚度為11.4mm，最優(yōu)纏繞角度為±60°;多角度纏繞結(jié)構(gòu)的柔性立管其增強層結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分別為:抗壓層為4mm

4、（纏繞角度為90°）、抗拉層為3.6mm（纏繞角度±30°）、補強層為4mm（纏繞角度為±55°）。
　　(3)利用ABAQUS有限元軟件并結(jié)合材料力學(xué)公式計算了兩種不同增強層纏繞結(jié)構(gòu)的玻纖增強柔性管的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度值，計算結(jié)果顯示多角度纏繞結(jié)構(gòu)柔性管的三種剛度值分別為129074744N、512.36KN.m2、750000N.m2，均大于單一螺旋角度纏繞結(jié)構(gòu)柔性管的這三種剛度值119593220N、459.5KN.m2、

5、600000N.m2。此外，本文還計算了這兩種柔性管模型在無內(nèi)壓和有內(nèi)壓作用下的最小彎曲半徑，計算結(jié)果顯示單一螺旋角度纏繞柔性管在無內(nèi)壓和有內(nèi)壓作用下的最小彎曲半徑分別為3.79m和8.57m，均小于多角度纏繞柔性管在無內(nèi)壓和有內(nèi)壓作用下的最小彎曲半徑3.87m和9.23m。
　　(4)針對玻纖增強柔性立管在極端海況下的整體強度分析，以綜合力學(xué)性能較好的多角度纏繞柔性立管模型為研究對象，采用了從整體到局部的強度分析方法，利用專業(yè)的

6、海工軟件Orcaflex首先進行了整體靜力學(xué)分析，確定出該柔性立管的危險區(qū)域為拉伸張力最大的頂部懸掛區(qū)域和彎矩最大的底部觸地段區(qū)域;然后再針對這兩個危險區(qū)域基于船體在近位點、遠位點這兩個典型位置分別進行100年一遇海流和10年一遇波浪聯(lián)合作用、10年一遇海流和100年一遇波浪聯(lián)合作用下的動力學(xué)分析，提取危險截面的最大拉伸張力和最大彎矩，并作為后續(xù)局部模型強度校核分析的邊界條件;最后對柔性管的局部模型進行強度校核分析，校核結(jié)果顯示所設(shè)計的