铺管船智能托管技术与实验研究

论文摘要

S型铺管船是海上油气管道铺设的主要设备,托管架是铺管船上控制管道入水角度、保证管道安全的关键装置。管道铺设过程中海风、波浪、洋流等使铺管船和管道发生位置变化,可能导致管道变形过大,发生塑性变形甚至断裂。铺管船托管架的管道变形调节能力,是提高管道施工安全性和可靠性的重要保证。本文基于因海洋环境而发生的管道变形,结合PLC、液压、气动技术等对托管技术进行研究。本文的研究工作如下：首先,建立非线性、大挠度、大变形梁管道数学模型,并用奇异摄动法求解其方程。对影响管道铺设的几个主要因素如张紧力、托辊间距、托管架长度、托管架可实现弯曲半径进行了设计分析。其次,提出了一种新型的智能托管架支墩系统,弥补现有托管架的不足。本系统基于PLC、传感器、液压缸、储气罐等硬件和Forcontrol6.1、Step7-MicroWin监控软件,实现被动补偿和主动补偿功能,能抵消海洋环境变化对施工的不利影响。最后,建立智能托管架支墩系统模型,编制组态软件程序,并在专用造波模拟实验室内进行模型实验。实验证明系统能自动根据波浪调节托管架上各个支墩油缸的伸出量,以此调节管道的弯曲半径,减小管道的弯曲应力。新型智能支墩系统改善了原有的托管架管道变形调节性能,有利于提高铺管船的管道铺设能力、速度和安全性,同时该系统对以后铺管船的设计也提供了有益参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 海洋油气资源开发及管道铺设主要设备
• 1.2.2 国内外管道铺设相关力学研究现状
• 1.2.3 未来的发展趋势
• 1.3 课题的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 海上管道铺设方法与管道力学模型分析
• 2.1 管道铺设方法概述
• 2.1.1 海洋管道铺设的主要方法
• 2.1.2 铺管船法的主要类型
• 2.1.3 "S"型铺管船的主要结构
• 2.2 管道力学性质分析
• 2.2.1 铺管中管道力学性质研究
• 2.2.2 奇异摄动法概述
• 2.2.3 管道的非线性平衡方程及解法
• 2.2.4 影响管道施工的海洋环境因素
• 2.3 托管架设计分析
• 2.4 海底管道安装和结构分析软件（OFFPIPE）
• 2.5 未来发展趋势
• 2.6 本章小结
• 第三章 新型托管架智能支墩系统研究
• 3.1 铺管船托管架
• 3.1.1 海洋环境对管道施工管线的影响
• 3.1.2 目前托管架的主要缺陷
• 3.2 新型托管智能支墩系统
• 3.2.1 新型托管智能支墩系统原理
• 3.2.2 新型托管智能支墩系统功能
• 3.2.3 新型托管智能支墩系统组成
• 3.2.4 新型托管智能支墩系统特点
• 3.3 支墩油缸及储气罐的设计
• 3.3.1 支墩液压油缸设计计算
• 3.3.2 储气罐设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 新型托管架智能支墩系统模型试验
• 4.1 新型铺管船托管架智能支墩系统
• 4.1.1 智能支墩系统控制原理
• 4.1.2 PLC及其编程软件简介
• 4.1.3 组态软件-力控（ForceControl6.1）简介
• 4.2 实验模型的建立
• 4.2.1 造波实验室介绍
• 4.2.2 智能支墩系统模型设计主要结构图
• 4.2.3 智能支墩系统模型支墩点布置图
• 4.2.4 智能支墩系统模型气液原理图
• 4.3 智能支墩系统软、硬件设计
• 4.3.1 电源电流计算
• 4.3.2 定义I/O表
• 4.3.3 电路接线图
• 4.3.4 监控、组态软件编程
• 4.4 智能支墩系统模型试验步骤
• 4.5 智能支墩系统模型试验目标
• 4.6 智能支墩系统模型试验及结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢