层间摩擦系数对非黏结柔性管抗拉铠装层轴压屈曲失效模式的影响研究

在柔性管运输、铺设安装和服役过程中,由于其抗拉铠装层钢带为柔性细长螺旋结构,当外部载荷超过临界值时,抗拉铠装层钢带容易发生屈曲失效。考虑非线性材料、几何大变形、层间接触和摩擦等非线性效应的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了63.5mm典型非黏结柔性管8层完整结构模型,研究了在抗拉铠装层不同层间摩擦系数的情况下,非黏结柔性管在轴向压缩载荷作用下的力学性能和屈曲失效模式。研究结果表明,层间摩擦系数对非黏结柔性管的抗压刚度和抗拉铠装层屈曲失效模式有较大影响,层间摩擦系数以0.1和0.2为分界点,抗压刚度和屈曲失效模式均呈现出“三段式”变化规律。研究成果可为海洋非黏结柔性管的结构设计和屈曲失效评估提供技术参考。

非黏结柔性管道抗拉铠装层腐蚀机理与安全评价研究进展

非黏结柔性管道是海洋油气开发的重要装备,在海水环境中,抗拉铠装层发生腐蚀会对安全运行产生严重威胁,因此明确抗拉铠装层腐蚀机理、对柔性管道的检测和对抗拉铠装层的腐蚀评估十分重要。抗拉铠装层腐蚀与环空的气体环境和水环境有关,采用合适的检测方法和设备检测环空,可以帮助判断其腐蚀情况,并为腐蚀疲劳寿命评估和应对策略制定提供参考。针对抗拉铠装层腐蚀机理、非黏结柔性管道检测、腐蚀疲劳寿命评估和腐蚀应对措施进行了总结,指出机理研究和检测评估方法的不足,为国内柔性管道抗拉铠装层腐蚀研究和完整性管理提供参考。

轴向拉伸下非粘结柔性管抗拉铠装层力学响应

与传统管道相比,海洋非粘结柔性管具有良好的柔韧性与适用性,逐渐成为深海油气运输的核心装备。柔性管在海洋中受到巨大的拉伸载荷,其响应规律的研究对柔性管的设计及应用具有重要意义。鉴于此,采用有限元法建立了柔性管的完全三维等效模型,分析了轴向拉伸载荷下柔性管在抗拉铠装层出现损伤的条件下以及存在其他不同外载荷条件下的响应,并对不同情况下所得的拉伸刚度进行了比较。分析结果表明:抗拉铠装层的损伤会出现不同程度的应力集中现象,并且在一定程度上降低柔性管的拉伸刚度,其中抗拉铠装层的外层损伤与内层损伤对拉伸刚度的影响差别并不明显;其他外载荷也会对柔性管拉伸响应产生相应的影响,如适当大小的静水压力会增强柔性管的拉伸刚度,但过大的静水压力会使柔性管骨架层压溃和塌陷,扭矩会相对降低柔性管的拉伸刚度。研究结果可对柔性管的设计制造以及其应用中预测柔性管的刚度变化起到参考作用。

海洋软管铠装层用钢的海水腐蚀行为

通过浸泡实验研究了铠装层用钢在模拟海水环境下的腐蚀行为.实验结果表明,实验钢的微观组织由回火马氏体组成,同时在基体中观察到含铬的析出粒子;腐蚀速率随着腐蚀时间延长逐渐降低,最终实验腐蚀速率为0.068 9 mm·a^(-1).腐蚀行为分为三个阶段:快速下降阶段、平稳过渡阶段和缓慢下降阶段,试样表面的腐蚀产物主要为α-FeOOH,γ-FeOOH,Fe_3O_4,Fe_2O_3;随着腐蚀时间的增加,腐蚀产物结构更加密实且厚度更大,铬元素倾向于在腐蚀产物中聚集.

含复合铠装层的非黏结柔性立管轴对称载荷响应

针对新型含复合材料铠装层的非黏结柔性立管,推导了各向异性复合材料拉力铠装层在内、外压和轴拉力作用下的控制方程,且考虑了载荷作用下可能出现的层间间隙,建立了非黏结柔性立管的轴对称载荷响应模型。采用循环验证算法求解,获得了管道的抗拉刚度、抗扭刚度、层间压力、层间间隙等重要参数。建立了有限元仿真模型,验证了理论模型的可靠性。算例研究表明:层间间隙出现在螺旋层与圆筒层之间,不考虑间隙时,抗拉刚度的预测值较高;相较于传统的钢质铠装层柔性管,复合铠装层管的抗拉刚度以及抗扭刚度均更大,且抗拉刚度随着管外压力增大而降低程度更小,复合铠装层在柔性立管的应用中能够达到铠装层的刚度性能要求。

脐带缆铠装层参数对拉伸行为的影响分析

脐带缆用于连接水上浮体和水下生产系统,缆芯由钢管单元、光纤单元和电缆单元等组装而成,缆体外层是由铠装钢丝层螺旋缠绕以及聚合物外护套组装而成,截面结构复杂。利用ANSYS有限元通用软件建立双层铠装脐带缆的三维多层接触摩擦有限元模型,计算其截面拉伸刚度,将拉伸刚度数值模拟值与理论结果进行对比,验证有限元模型的正确性;分析比较铠装层不同缠绕角度、缠绕方式和钢丝直径下脐带缆模型的拉伸刚度。结果表明:铠装钢丝层缠绕方式、缠绕角度、铠装钢丝直径对双层铠装脐带缆模型的拉伸刚度、最大等效应力模拟结果均有影响。

海洋复合软管铠装层材料腐蚀试验产物CO探究

依据API SPEC 17J标准要求对铠装层材料进行了温度55℃、气体总压1.7 MPa(1.44CO 2+0.26N 2)、周期168 h蒸馏水腐蚀试验,在试验结束后泄压时发现CO含量超过1000 ppm[1]。由于环境中CO的浓度超过100 ppm(100×10^-6)时,人体就会产生头晕、乏力等不适感;随着CO浓度的增加,会进一步产生头痛、呕吐、昏迷等症状;当CO浓度超过600 ppm时,短期内会引起窒息死亡。因此本文的目的是希望通过压力、温度、气体和腐蚀介质等不同条件下的变化,分析得出腐蚀试验中产物CO的生成影响因素。

软管环形域空隙率对铠装层金属腐蚀行为的影响研究

海洋挠性软管是一种用于水下油气水的集输的多层复合管道。其内层与外层聚合物材料之间的区域被称为环形域,处于环形域内的铠装层金属材料通常为碳钢。内管输送介质中水蒸气、CO 2等腐蚀介质会渗透至环形域内造成金属材料的腐蚀。管道在设计阶段需要对管道进行腐蚀性能评价,以验证材料在整个寿命周期末端的承载能力仍满足管体设计要求[1]。根据ASTM G111标准[2],常规的腐蚀试验需要考虑温度、压力、试验介质、pH值等,由于软管环形域空间极低的孔隙率,在有限腐蚀介质中存在大量的金属材料,所以常规的试验方法不能真实地反应软管环形域条件下的腐蚀情况。本文目的在于探究海洋挠性管道环形域金属材料的评价方法以及研究铠装层金属材料的腐蚀行为,并分析材料的腐蚀趋势。

单芯海底电缆金属护层及铠装层环流的数值分析与计算

为保障机械强度,海底电缆一般都装设金属铠装层,因此海底电缆环流包括金属护套和铠装层环流。而海底电缆环流会加快绝缘老化,并降低线芯载流量。为此,针对两端互联接地、中间分段短接的三相单芯海底电缆系统,建立了海底电缆环流计算模型,并根据电磁场理论对海底电缆电感参数进行了分析,据此计算了不同负荷电流下的海底电缆金属护层和铠装层环流。计算结果表明,线芯电流增大时,金属护套和铠装层环流随之增大,且环流和线芯电流成正比例变化规律。

含复合材料铠装层的非粘结柔性立管轴向抗拉强度分析

以复合材料替换非粘结柔性立管的抗拉铠装层的钢材条带是实现超深水油气开发对管道轻量化、高强度要求的有效途径。采用细观力学分析方法获得了复合材料条带的各向异性材料参数,基于厚壁圆筒理论与弯曲梁微分方程,结合循环迭代算法建立了含复合材料铠装层的非粘结柔性立管在轴对称载荷作用下结构响应计算模型。基于钢的双线性本构、复合材料等强度分析方法得到了不同材料非粘结柔性立管的失效分析模型。算例结果显示,复合材料铠装层能有效提升立管的抗拉强度,纤维的体积分数、弹性模量和强度,是影响复合材料非粘结柔性立管刚度、抗拉强度的重要参数。

铠装回路串联电阻对110kV海底电缆热效应影响的试验研究

以110 kV单芯海底电力电缆为研究对象,建立了电缆暂态热路模型。结合铅包和铠装损耗的影响,得出导体稳态温度的计算公式。从降低海缆热量产生的角度出发,结合生产实际,设想在铅包铠装回路串入一定阻值的电阻器。根据电缆设计规范及被试海缆的实际情况选择合适的电阻器。基于海缆热循环试验系统,在不同工况下对被试海缆进行通流试验。通过对实验数据的分析与比较,证明了该方法能够有效降低海缆的损耗与导体的稳态温升,提高了海缆的载流量。

35kV单芯钢丝铠装电缆故障分析及应对措施

本文对石化厂供电网的35kV单芯钢丝铠装电缆故障进行了分析,对损坏原因进行了探讨,提出了单芯钢丝铠装电缆应用中的注意事项。

扁钢丝铠装光纤复合海缆拉伸试验与仿真分析

随着海洋电力传输的快速发展,扁钢丝铠装型海缆将具有潜在的应用前景。利用研制的扁钢丝铠装光纤复合海缆样品开展拉伸试验及有限元仿真研究,分析了海缆敷设时的受力情况。结果表明:1)海缆伸长率随敷设拉力增加而增大,拉伸端铠装钢丝会产生沿自身方向的旋转和应力释放,仿真后海缆伸长率、拉伸刚度等结果与试验基本一致,结果具有可参考性;2)相比于其他结构,内垫层和外被层应变变形较大,最大应变值比内部线芯大1~2个数量级,可对内部线芯起到良好的缓冲保护作用;3)结合实际试验和仿真结果,光单元钢管最大应变为海缆整体最大应变值的8.5%,处于加载区域,中间段平均应变量级与内部线芯一致。实际拉伸测试光单元附加衰减<0.05d B,符合标准要求,结果表明扁钢丝铠装型海缆敷设时最大拖拽力对光单元的性能无影响;4)海缆拉伸过程中,端部会产生较大的变形波动和应力集中效应,实际施工敷设时需加以防护。海缆内部各层应力、应变变化趋势与圆钢丝铠装型一致,表明2种铠装形式海缆抗拉性能基本一致。

电力电缆钢带铠装的整体检验

意大利Moutorlo al Vomano 的ENEl水力发电厂,应用验磁法成功地检测了安装在该厂的电力电缆加强钢带的损坏情况。由于电缆结构和安装状态特殊,证明用射线照相及温度记录图示等无损检测方法,已无法检测出敷设在竖井水泥墙上的电力电缆加强钢带损坏的实际情况。

500 kV交流海底电缆金属护层冲击感应电压研究

金属护层冲击感应电压是高电压、大长度海底电缆安全运行的重要控制条件。采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC,建立了海底电缆金属护层冲击感应电压仿真模型,对电缆长度、侵入波波形、电缆结构参数等对护层冲击感应电压的影响进行了计算分析,并研究分析了金属护层与铠装层分段短接和采用半导电外护套两种方式对限制金属护层冲击感应电压的作用,研究表明:电缆长度、侵入波波形和电缆结构参数对金属护层冲击感应电压有较大的影响;金属护层冲击感应电压随着分段短接点的个数和外护套电导率的增加而减小。

大长度高压及超高压光电复合海底电缆研究

介绍了有关光电复合海底电缆导体阻水、电缆接地、光缆复合、铠装层、接头等方面的设计思路或方法。

城市轨道交通环网电缆的结构选型分析

从线芯选择、铠装层选择、绝缘层选择方面对城市轨道交通33(35)kV环网电缆结构选型作了分析,综合考虑实际施工时可能产生的影响,得出了较适宜城市轨道交通的33(35)kV环网电缆的型号。

结合非线性有限元及进化策略的柔性立管优化设计

非黏结柔性立管是深海石油资源开发中越来越广泛使用的重要部件。本文首先考虑螺旋角、截面尺寸、摩擦系数等结构参数对非黏结柔性立管进行实体力学建模,考虑接触非线性、几何非线性和拉扭耦合效应对立管的力学响应进行分析。在非线性有限元分析的基础上,结合进化策略,以柔性立管位移为限制条件,以减小最大Mises应力为优化目标,对柔性立管抗拉铠装层螺旋角、截面尺寸、摩擦系数进行多参数同步优化设计。结果表明:结合非线性有限元及进化策略的优化设计方法,能在保证立管位移较小的情况下,显著减小其最大Mises应力。可为深海柔性立管结构优化设计提供理论依据和工程实际参考。

海洋柔性管道螺旋结构弯曲行为的有限元分析

针对海洋柔性管道复杂结构弯曲行为特性不明确的问题,本文采用有限元分析方法,建立了考虑层间相互作用的单根螺旋钢丝缠绕圆柱结构简化三维模型,开展螺旋典型结构的弯曲行为研究;建立适用于微小间隙下层间滑移形态的测量方法,对管道层间滑移形态进行了定量分析。分析结果表明:弯曲作用下螺旋结构在半个螺旋周期内交替呈现轴向拉伸和收缩的相对滑移形态,在内部圆柱体的摩擦约束和支撑作用下,螺旋钢丝缠绕圆柱结构相比单个螺旋钢丝的结构应力响应分布情况发生了明显变化。建立的分析方法与计算结果为海洋柔性管道结构弯曲行为分析和结构设计提供了有效的技术手段。

悬链线型海洋脐带缆涡激振动响应分析

海洋脐带缆在位工作时经常会受到涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)的影响,其影响程度与众多因素有关,如外界影响因素波浪和自身影响因素脐带缆铠装层数等。本文针对某悬链线型海洋脐带缆的涡激振动现象,基于尾流振子模型对脐带缆进行分析,借助OrcaFlex软件,研究了脐带缆在水深1 000 m的情况下不同海流流速和不同铠装层数对涡激振动的影响。分析结果表明,脐带缆在靠近海面和海底处所受到的海流VIV的影响较大,且随着重现期的增大而影响愈加明显。根据上述结论,可以对脐带缆涡激振动影响最为明显的部位进行改进,从而提高脐带缆的抗涡激振动性能。