【摘要】：S型鋪管法是海底管道鋪設(shè)的主要方法。進(jìn)行鋪設(shè)作業(yè)時(shí),管道從鋪管船甲板上經(jīng)過吊裝、焊接、無損檢測(cè)等工序后,由張緊器釋放,沿托管架滑入水中,最后落至海底。管道在通過托管架滑移入水的過程中承受彎曲、拉伸、托輥反力和船體運(yùn)動(dòng)荷載的組合作用,在一定的鋪設(shè)工況下,不可避免的發(fā)生塑性變形、應(yīng)變集中和截面橢圓化等損傷。當(dāng)含有鋪設(shè)損傷的管道離開托管架入水后,在海水外壓的作用下,可能會(huì)過早的發(fā)生屈曲失效。這些問題在以往的淺水S型海底管道鋪設(shè)中是沒有被關(guān)注的。因?yàn)樵跍\水鋪設(shè)中,管道總重量輕,管道在托管架上承受的荷載相對(duì)小,上彎段鋪設(shè)過程不會(huì)導(dǎo)致管道的直接破壞或損傷。而在超深水S型鋪設(shè)中,管道的幾何形狀和荷載條件發(fā)生變化,上彎段“托管架—管道”的耦合動(dòng)力作用更加復(fù)雜,出現(xiàn)了一系列亟待解決的新問題。本文在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)“深水海底管道鋪設(shè)技術(shù)研究”和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)“深海水下油氣輸送系統(tǒng)可靠性理論研究”的支持下,面向超深水S型海底管道鋪設(shè)中的上彎段關(guān)鍵力學(xué)問題進(jìn)行研究,開展了如下工作： (1)研究了鋪管船運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的托管架和管道耦合動(dòng)力響應(yīng)。 在超深水S型海底管道鋪設(shè)中,管道在托管架上承受較大的荷載,發(fā)生塑性變形,甚至接近極限承載能力。鋪管船在風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)托管架和管道相互碰撞,引起托輥荷載的顯著增加,對(duì)管道安全造成威脅。確定鋪管船運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的托管架和管道耦合動(dòng)力響應(yīng)是進(jìn)行超深水海底管道鋪設(shè)的前提。本文開展了“托管架—管道”耦合動(dòng)力作用的數(shù)值仿真和大比尺模型實(shí)驗(yàn)研究,模擬了鋪管船運(yùn)動(dòng)作用下管道從托管架上滑落的過程,獲得了管道在超深水鋪設(shè)中發(fā)生塑性變形時(shí)的截面應(yīng)力分布狀態(tài)。研究了托輥荷載的靜力分布規(guī)律和鋪管船運(yùn)動(dòng)對(duì)托輥荷載的動(dòng)力放大效應(yīng),確定了管道在鋪設(shè)過程中的動(dòng)力應(yīng)變歷史和托管架的受力狀態(tài)。 (2)研究了鋪設(shè)過程引起的管道損傷及含損傷管道的后續(xù)承載能力。 管道在超深水S型鋪設(shè)過程中發(fā)生不同程度的截面變形。以往的分析模型大多將管道簡化為梁單元,無法計(jì)算管道從托管架上滑落之后的局部變形和橢圓率。本文利用殼單元建立管道模型,計(jì)算了受鋪設(shè)荷載作用下的管道殘余塑性變形和截面不均勻橢圓率。然后以含有鋪設(shè)損傷的管道作為外壓荷載作用下屈曲分析的初始構(gòu)型,基于改進(jìn)的Riks方法計(jì)算了含鋪設(shè)殘余變形管道在外壓荷載作用下的臨界屈曲壓力。研究結(jié)果可以為超深水海底管道鋪設(shè)中,當(dāng)管道發(fā)生較大塑性變形時(shí)的承載能力評(píng)估提供參考。 (3)提出了基于管道極限承載能力分析的超深水托管架設(shè)計(jì)方法。 托管架是S型海底管道鋪設(shè)的核心裝備,在鋪設(shè)過程中起到支撐管道和引導(dǎo)管道入水的作用。它的長度和曲率半徑變化范圍在一定程度上決定了鋪管船的鋪設(shè)能力,是設(shè)計(jì)過程中最難確定的參數(shù)。進(jìn)行托管架設(shè)計(jì)時(shí)既需要滿足管道的極限承載能力要求,又必須保持張緊器拉力、船體尺寸、船舶推進(jìn)能力等參數(shù)的平衡,還要保證托管架自身的結(jié)構(gòu)安全,涉及諸多參數(shù)的優(yōu)選。本文在“托管架—管道”耦合動(dòng)力作用研究的基礎(chǔ)上,基于管道的極限承載能力分析,提出了超深水托管架的基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)流程,開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的托管架設(shè)計(jì)軟件DUT-Pipelay,基于該軟件完成了“海洋石油201”號(hào)鋪管船的鋪設(shè)能力評(píng)估和新型托管架設(shè)計(jì)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P756.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2266924