本文選題：卷管鋪設 + 海底管道　； 參考：《哈爾濱工程大學》2016年博士論文

【摘要】：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。卷管鋪設是一種新型海底管道鋪設方式,在遠距離管道鋪設中具有較大的優(yōu)勢。因此,開展卷管鋪設關鍵技術研究,研制一種具有自主知識產(chǎn)權的卷管鋪設裝備,對打破國外技術封鎖,提高我國海洋工程裝備技術水平具有重要意義。本文首先介紹海底管道各種鋪設方法的發(fā)展現(xiàn)狀,并分析歸納各種方法的優(yōu)缺點;針對論文研究的卷管鋪設法,對其涉及到的關鍵理論進行綜述,具體包括:管道安全性、管道屈曲理論和管道校直理論。提出卷管鋪設系統(tǒng)的總體方案。針對部件結構尺寸和重量較大的問題,采用模塊化設計的思想。根據(jù)部件的功能和特點,將整個系統(tǒng)分為滾筒、校準器、校直器、張緊器和鋪設塔架五個部分。并對各個部件的結構和驅動形式進行設計。在此基礎上,對系統(tǒng)的液壓驅動和控制方案進行設計。針對卷管鋪設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理和鋪設過程中的受力狀況,得到管道極限載荷承載能力和極限應變能力,并對影響管道安全性的因素進行研究。采用該方法對試驗系統(tǒng)中管道的安全性進行分析,驗證本文滾筒設計的正確性。研究卷管鋪設中上卷時管道的屈曲問題。以非線性環(huán)理論為基礎,建立起管道橫截面變形和曲率之間的關系;考慮管道和滾筒之間的接觸,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)以及彈性回彈對管道屈曲的影響。采用陸地試驗和仿真相結合的方法驗證該方法的正確性。針對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菽茉�,獲得管道單位長度上的最大彈性壓力,建立起校直器壓點、支點和管道性能之間的關系。以彈塑性理論為基礎,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)學關系。為便于鋪設過程中校直器的操作,進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)對校直曲率的影響,將校直曲率公式進行簡化�；贏NSYS對管道校直過程進行分析,通過仿真結果和理論結果的比較分析,驗證校直模型和理論的正確性。開展卷管鋪設試驗研究。研制卷管鋪設系統(tǒng)試驗樣機,搭建海試試驗平臺。通過樣機調試、碼頭上卷試驗和海上退卷試驗,對樣機總體方案和理論計算進行驗證。試驗結果驗證了本文所提出的總體方案、管道安全性判斷方法、管道上卷彎曲屈曲分析方法、管道校直模型和理論的正確性。本文研究成果對深海卷管鋪設系統(tǒng)工程樣機的研制提供了理論基礎,為卷管鋪設法的實際操作提供了寶貴的實踐經(jīng)驗,同時為我國海底管道鋪設技術的深入研究開闊了思路,具有重要意義。
[Abstract]:Energy plays an important role in the survival and development of human beings. In all energy sources, oil and natural gas occupy the most important position. With the exploitation of the land oil and gas resources, the development of marine oil and gas resources is imminent. In the development of marine oil and gas resources, the oil and gas should be transported to land or oil and gas ships. At present, all countries in the world are mainly using submarine pipelines as oil and gas conveyance tools. Coil laying is a new type of submarine pipeline laying mode, which has great advantages in long distance pipeline laying. Therefore, the key technology of rolling pipe laying is researched and a kind of coil laying equipment with independent knowledge production right is developed to break the foreign technical blockade. It is of great significance to improve the technical level of marine engineering equipment in China. Firstly, this paper introduces the development status of various laying methods of submarine pipelines and analyzes the advantages and disadvantages of various methods, and summarizes the key theories involved in the study of the paper, including the safety of pipeline, the theory of pipeline buckling and the pipe. According to the function and characteristics of the components, the whole system is divided into five parts: roller, calibrator, straightener, tensioner and paving tower, and the structure and driving form of each component. On the basis of this, the hydraulic drive and control scheme of the system are designed. In view of the problem that the pipe stress is large and easy to fail in the pipe laying, a method for determining the safety of the pipe is put forward. By analyzing the failure mechanism of the pipe and the stress condition in the laying process, the ultimate load bearing capacity and the ultimate strain of the pipe are obtained. This method is used to analyze the safety of the pipeline in the test system, to verify the correctness of the design of the drum, and to study the buckling of the pipe when the roll is rolled up. Based on the nonlinear ring theory, the relationship between the deformation and the curvature of the cross section of the pipe is established. Considering the contact between the pipe and the cylinder, based on the principle of virtual work, the equilibrium equation between the cross section deformation and the external load is obtained, and the Newton Raphson iterative method is used to obtain the change of the bending moment and the ellipticity of the pipe during the rolling process. The effect of the pipe geometry, material parameters and elastic rebound to the pipe buckling is analyzed. In order to verify the correctness of the method, a continuous and rapid straightening model is established to obtain the pressure and straightening stroke of the straightening and reverse bending. Based on the principle of minimum potential energy, the maximum elastic pressure on the unit length of the pipe is obtained, and the pressure point of the straightener is established and the support is established. The relationship between the point and the pipe performance. Based on the elastoplastic theory, the mathematical relationship between the curvature of the pipe straightening and the initial curvature is obtained by solving the pipe bending moment and the plastic bending ratio. In order to facilitate the operation of the straightener in the process of laying, the pressure and straightening stroke of the straightening and reverse bend of the pipeline are further obtained. The material and the geometric parameters are studied by the study of the material and the geometric parameters. The straightening curvature formula is simplified. The straightening process of the pipe is analyzed based on ANSYS. The correctness of the straightening model and theory is verified through the comparison and analysis of the simulation results and the theoretical results. The test research of the winding pipe laying is carried out. The test prototype of the coil laying system is developed and the sea test platform is built. Through the prototype, the prototype is built. Debug, wharf roll test and offshore rewinding test to verify the overall scheme and theoretical calculation of the prototype. The test results verify the overall scheme proposed in this paper, the method of pipeline safety judgment, the bending buckling analysis method of the pipe roll, the correctness of the pipe straightening model and the theory. The development of the engineering prototype provides a theoretical basis and provides valuable practical experience for the practical operation of the pipe laying. At the same time, it is of great significance to broaden the thinking of the deep study of the submarine pipeline laying technology in China.
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TE973.92

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本文編號：2100367