海洋柔性管道骨架层压溃的有限元分析

针对海洋柔性管道互锁型骨架层由于外部静水压力可能引起压溃失效问题,文中基于有限元分析方法,采用实体单元,建立骨架层结构三维有限元模型,研究静水外压作用下骨架层的压溃行为.分析结果显示,当不考虑几何缺陷及材料非线性时,计算得到的压溃特征值与解析方法得到结果吻合良好;当模型考虑初始椭圆度缺陷时,压力位移曲线经过一段线性变化过程后快速趋近于临界压溃值,且随着初始椭圆度的增大,临界压溃值逐渐减小;当模型进一步引入材料非线性时,骨架层的抗压溃能力显著下降,临界压溃值比理想状态下减小近一半.数值模型与结果为柔性管道抗压溃分析设计提供了有效的技术手段.

浅水经济性柔性管道加强设计

柔性海洋管道需要针对使用要求进行结构加强设计。对于浅水海域,柔性管道拉伸和外压较小,如果通过合理简化结构的加强设计,可降低大量应用于海底管道的造价。根据渤海浅水海底管道铺设荷载,设计经济型非粘结构柔性管的结构形式,建立拉伸刚度分析模型,提出抗拉加强设计方法,并对加强设计制造的柔性管道进行了实验测试,结果表明能够满足渤海海底管道使用要求,为我国浅水边际油田开发提供新的管道选择。

穿透式管理在连接器系统研制中的应用与实践

“科学试验平台”是中国船舶科学研究中心研制的一型科考平台。作为全球首例双模块半潜平台,其在台风多发海域长期可靠应用,并在无辅助船状态下实现双模块快速拼装与分离。连接器系统作为模块连接的核心装置,其研制过程在借鉴现有管理经验的基础上,将穿透式管理在项目中进行应用与实践,取得了良好的效果。本文重点介绍科学试验平台连接器系统在项目中管理机制、外协外包管理、关重件及关键过程管控、现场监督及检验、标准化建设等方面的管理方法。这些有效的质量控制措施保证了连接器系统的研制成功,可为大项目新产品质量管理的实施提供指导。

基于材料非线性的海洋柔性立管防弯器有限元分析

建立海洋柔性立管防弯器三维有限元模型,研究聚氨酯材料非线性对防弯器弯曲性能的影响.通过算例对比不同材料属性的计算结果,发现不考虑材料非线性的计算结果与理论分析结果吻合较好.试验结果表明考虑防弯器材料非线性的立管最大曲率比不考虑材料非线性的小10%.因此,在防弯器详细分析时很有必要考虑材料非线性.

浮筒转塔式系泊系统中的动态管缆数值分析

借助有限元法,结合非线性时域分析,对浮筒转塔式系泊(Buoyant Turret Mooring,BTM)系统与FPSO脱离前后分别采取不同的分析策略,解决其柔性立管、动态脐带缆和动态电缆(合称动态管缆)的设计分析工作量大以及所面临的高度非线性和强耦合等难题.以我国南海某BTM系统的动态管缆的分析为例,借助专业立管分析软件Orcaflex展示该类系统的数值建模和分析技术,并通过极值和疲劳的分析与评价阐述此类工程设计的技术特点.

海洋柔性管道骨架层径向压缩行为的数值模拟

为防止铺设或储运过程中出现径向压缩失效,海洋柔性管道内层设计采用互锁型骨架层。基于有限元数值分析方法,建立骨架层三维有限元模型,研究径向压缩载荷作用下骨架层的力学行为。同时将骨架层简化为圆环,推导了圆环对径向压缩刚度的解析公式。搭建了柔性软管径向压缩性能的实验测试装置,通过骨架层试件的径向压缩测试,验证了有限元模型的正确性;发现传统理论模型的误差较大。数值研究还发现,随着钢带厚度与内径比的增加,骨架层径向压缩刚度会显著增大。建立的有限元数值模型及其分析技术为柔性管道受径向压缩分析和设计提供了有效的技术手段。

海洋非黏结柔性管道接头密封结构分析

介绍海洋非黏结柔性管道接头的常见密封结构,用Abaqus对接头的密封特性进行数值分析,研究密封圈的密封性能对不同密封结构参数的灵敏度,得到密封结构参数变化对接头密封结构的密封性能和力学性能影响的一般规律.结果表明密封结构的主要设计参数为密封圈的锥角和曲率半径以及加载位移等.

海底柔性管道的抗内压分析和设计

针对浅水经济型海底柔性管道结构,建立其三维有限元数值模型,考虑金属铠装层之间的连接和接触,给出在内压作用下的各层构件力学性能的数值模拟结果.通过结果分析和相关参数调整发现各层的最大承压力不能进行线性叠加,其内压承担比例与各层结构的径向刚度有关.因此,可以通过合理分配径向刚度使各层结构同时达到屈服状态,从而充分利用材料并实现最优化结构设计.

中水浮拱浮力舱的结构强度分析

针对浅水动态柔性管/缆系统的附件——中水浮拱的浮力舱,介绍其结构特点和功能等,并给出其基本参数;用ANSYS分析浮力舱结构强度,得到壁厚变化对浮力舱的强度和质量影响的一般规律;研究浮力舱在破舱后对中水浮拱整体功能的影响;总结内部隔板与外舱体连接处的倒角半径和浮力舱应力变化曲线,给出最佳倒角半径范围.研究结果可以提高中水浮拱的安全可靠性和设计水平.

2013年度“柔性海底管道关键技术研究”课题技术总结报告

海洋柔性管道是海洋油气资源开发重要的输运装备之一,它连接海底井口与海面浮体。该报告介绍了课题承担单位在2013年度的研究进展与成果,主要集中在海洋柔性立管的总体设计技术研究,包括立管截面设计技术、端部连接构件设计、防弯器设计与浮力模块设计。研究各部分设计基础、设计路线及设计方法,掌握了各部分从概念设计、材料设计再到基本设计的方法,并且针对我国南海1 500 m典型海况的Lazy-S线型应用,进行柔性立管的总体设计,并给出设计方案、设计结果与相关图纸。对海洋柔性管道截面分析技术和端部连接构件分析技术进行研究。通过建立解析方程组研究设计参数与设计目标的关系;基于各部件在不同荷载工况下的失效模式分析,提出相关设计准则,建立三维有限元数值模型,定量分析各部件极端环境受力与疲劳寿命,评价设计安全与设计方法的有效性。并且根据该方法对目标样管设计进行定量分析,结果显示出目标样管设计满足准则要求。对海洋柔性管道制造技术进行研究,重点对内骨架层、抗压铠装层、抗拉铠装层等生产设备进行了研制改造升级,研究确定了装备制造工艺方案与生产线总承方案,形成样管的制造计划;对端部接头结构样式材料进行技术分析研究,形成图纸及制造计划。对海洋柔性管道附属构件,包括防弯器与浮力模块进行制造方案研究。根据附件的结构形式,给出相关的制造装备要求,同时根据已有附件设计方案,进行附件制造设备改造,研究确定各装备制造工艺方案与生产线总承方案,形成样品制造计划。通过研究基本掌握了海洋柔性管道与附属构件设计分析技术。

联合载荷作用下撑杆结构极限强度研究

超大型浮体结构在复杂海洋环境下承受多轴载荷共同作用,使得刚度较弱的撑杆结构极易发生破坏,从而影响整个浮体的安全和可靠性。文章以超大型浮体撑杆结构为研究对象,基于模型相似理论,进行了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限强度试验模型设计,并开展模型试验研究。通过数值仿真方法与试验结果的对比分析,验证了数值仿真方法的正确性,并据此开展实尺度撑杆结构在不同扭转载荷作用下的压缩极限强度数值仿真计算,给出了压扭联合载荷作用下撑杆结构极限承载能力计算简化公式,为撑杆结构设计提供支撑。

复杂载荷作用下连接器基座加强区结构极限强度研究

文章基于混合相似理论进行了复杂载荷作用下的连接器基座加强区结构模型设计,完成了极限承载能力模型试验,并通过模型试验结果与数值仿真结果的对比,验证了数值仿真方法的正确性。通过文中的研究建立了超大型浮体连接器基座加强区结构模型试验技术、得到连接器基座加强区结构的极限压缩载荷,对多轴载荷作用下的结构物极限强度研究和推进具有重要意义。

超大型浮体横撑结构极限强度分析

超大型浮体(VLFS)的横撑是整个结构的关键部位,极易发生破坏,因此有必要对超大型浮体横撑结构进行极限强度分析。文章以超大型浮体横撑为研究对象,计算其在两端受压、受拉、受剪切和受弯矩作用下的极限承载力,分析其失效模式,并讨论边界约束、初始缺陷和海水腐蚀等因素对撑杆结构极限承载力的影响。结果表明,撑杆结构受压失效模式表现为屈曲失效和塑性变形;受拉、受剪和受弯失效模式表现为屈服和塑性流动;边界条件、初始缺陷和腐蚀对撑杆结构的极限承载力具有一定的影响。文中研究结果可为超大型浮体横撑结构设计和安全可靠性分析提供相关依据。

深海多金属结核矿物输送模式特征与适应性研究

在分析多金属结核矿区环境特征的基础上,研究了连续链斗、自动潜浮穿梭采矿车以及各类管道提升模式应用于深海多结核矿物输送的具体特征及适应性。综合考虑机动性、干矿输送能力、布放回收作业效率、造价及运行成本、作业水深适配性、极端海况适应性、海底扰动适应性以及环境友好性等八个方面,建立涵盖多维度评价因素的数学模型以及适应性评价体系。分析结果表明,连续链斗以及管道戽斗提升模式不适用于多金属结核输送;自动潜浮穿梭采矿车研发成本高,不具备经济适应性。随着水下装备可靠性提高,在可以高质量解决重介质密封问题的前提下,重介质管道提升有可能发展成为高效的深海多金属结核矿物输送模式。

超大型海上浮式结构物连接器基座强度分析

超大型海上浮式结构物(Very Large Floating Structure, VLFS)是由若干个单模块通过连接器连接而成的海上结构物,连接器是整个结构中最薄弱而又最关键的部分,因此有必要对连接器基座进行静强度分析和极限强度分析。文章采用以包含连接器基座的上箱体为研究对象,选取包含单个连接器基座和两个连接器基座的上箱体局部结构作为模型进行静强度分析,得到了两种模型连接器基座整体Von mises应力不大,但存在基座与连接器连接处、立柱与上箱体底甲板连接处两处明显的高应力区的相关结论。然后,采用非线性有限元准静态法对连接器基座进行极限强度分析,确定结构在危险工况下最先发生破坏的位置,得到基座连接器不同方向的极限承载力。结果表明,连接器基座在各个方向的极限承载力都远大于其载荷预报值,连接器基座具有较大的结构强度储备。文中的研究结果为超大浮体连接器基座的设计和安全可靠性分析提供了相关理论依据。

不同构型的超大型浮式结构物水动力分析和波浪载荷预报

超大型浮式结构物是一种新型海上结构,浮体结构的不同构型对水动力性能有着较大的影响,而合理可靠地预报波浪载荷是保证海洋结构物设计合理和安全运营的基本前提。基于设计波法,采用莫里森公式和势流理论相结合的方法,对纵向浮筒和横向浮筒两种不同构型的超大型浮式结构物进行水动力分析和波浪载荷长期预报并进行对比分析。研究结果表明:横向浮筒超大型浮体纵荡运动相应幅值比纵向浮筒超大型浮体小很多;纵向扭转为纵向浮筒和横向浮筒超大型浮体最危险工况,其次是垂向弯矩工况;且横向浮筒超大型浮体的垂向弯矩也是较危险的工况。分析结果可为超大型海上浮式结构物的结构设计提供相关合理可靠的理论依据。

深海采矿系统软管应用现状与技术挑战

海洋柔性管道是深海矿产资源开发中重要的提升和输运装备。本文从深海矿物开发模式、输送介质和自身可靠性等方面系统地阐述了柔性管道的应用需求,列举了两类深海采矿软管的应用现状与技术特点。为了满足深海采矿要求,探索提出了深海采矿系统软管的技术研制路线,并详细介绍了该系统软管所面临的整体应用、截面设计、建造与测试等技术挑战,为我国深海采矿系统软管的自主研制提供技术参考。

深水柔性立管结构技术进展综述

海洋柔性立管是深水油气开采的核心装备之一,被誉为深水开发系统的“血管”。本文综述了海洋柔性立管系统的基本结构与发展历程,总结了国内外主要海洋柔性立管生产厂家的产品特点及设计技术。随着海上油气田开发不断走向深水,本文介绍的海洋柔性立管技术必将助力我国深水油气资源的自主可控开发。

Tensile Stiffness Analysis on Ocean Dynamic Power Umbilical

Tensile stiffness of ocean dynamic power umbilical is an important design parameter for functional implementation and structural safety. A column with radial stiffness which is wound by helical steel wires is constructed to predict the tensile stiffness value of umbilicals in the paper. The relationship between the tension and axial deformation is expressed analytically so the radial contraction of the column is achieved in the relationship by use of a simple finite element method. With an agreement between the theoretical prediction and the tension test results, the method is proved to be simple and efficient for the estimation of tensile stiffness of the ocean dynamic power umbilical.

拉剪多轴载荷作用下的弹性梁弯曲变形

为设计海洋柔性管缆装备多轴加载试验工况,通过建立解析模型和有限元数值模型研究了弹性梁在轴向拉伸载荷与横向多集中载荷共同作用下的弯曲变形,以及拉伸载荷、横向剪力、弯曲刚度等对变形的影响规律,拟合了弹性梁跨中曲率与多轴载荷的近似关系式。结果表明:解析模型结果与有限元结果吻合较好,可见解析模型的正确性。轴向拉力使得跨中区域曲率呈现“凹”形态;梁跨中曲率随拉力增大或剪力减小而迅速减小同时曲率分布更平滑,但随弯曲刚度的下降呈现先增大后减小;拟合的弹性梁跨中曲率与多轴载荷关系式满足工程精度要求。