深水海底管线S型铺设分析方法与力学特性研究

论文摘要

随着科学技术的进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高,深水油气开发已成为世界石油工业的焦点和科技创新的前沿。海底管道是深水油气开发的重要组成部分,对海上油气田的开发、生产和外输起着关键性的作用。深水海底管道铺设过程受到众多环境因素和施工因素的影响。诸多因素的耦合作用具有很强的非线性特性,从而导致了安装过程中管线的形态,运动及其控制相当复杂。因此,针对管线S型铺设的关键力学问题及分析方法开展研究是非常必要的。本文以我国南海油气开发模式为依据,对深水S型铺设海底管线进行相应的力学分析及分析方法研究。本文应用大变形理论建立了深水S型铺管中管道形态的大挠度梁微分方程,证明管道悬垂段形态可以用自然悬链线进行近似模拟。此外,还对安装过程中管线非线性边界条件采用专门方法进行了处理。首先对海底土壤地基对触底段管道的垂向、侧向和轴向的反力作用进行了模拟。接下来又提出了铺设过程中托管架托辊与过弯段管道的全接触模型,真实模拟了铺管作业中过弯段管道的实际状态。同时,还实现了通过对托管架上托辊进行曲线拟合来调节托辊的位置。这些都为S型铺管中管线的整体非线性力学特性研究奠定了基础。利用上述分析方法,研究了海流、托管架管道入水角、托管架尺寸以及铺管船运动等对管线铺设过程中安全性的影响,得到了相应的规律,为深水管道铺设工艺和技术提出了十分重要的建议。本文还对文中所得结果进行了计算验证,使本文提出的数值模拟方法和力学分析方法更具准确性。这些都将有效指导工程实际,并为深水铺管作业动态监测及铺管阶段管道完整性管理提供了技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 S型铺管简介
• 1.3 国内外工程现状
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文主要工作及研究内容
• 第二章 深水S型铺管管线形态及边值问题研究
• 2.1 概述
• 2.2 悬垂段管道非线性构形理论研究
• 2.2.1 悬垂段管道的控制方程
• 2.2.2 悬垂段微分控制方程求解
• 2.2.3 计算结果与悬链线理论解的比较分析
• 2.3 触底段管道管土非线性作用研究
• 2.4 过弯段管道与托管架非线性接触问题及托辊调节机制研究
• 2.4.1 过弯段管道与托辊接触模拟
• 2.4.2 托辊调节机制研究
• 2.4.3 托辊位置调节方法应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 深水S型铺管非线性力学特性及参数研究
• 3.1 概述
• 3.2 深水S型铺管非线性分析有限元建模
• 3.2.1 用于铺管非线性有限元分析的水动力学理论及主要参数选取
• 3.2.2 非线性有限元建模
• 3.3 不同托管架管道入水角对铺管影响分析
• 3.4 不同方向海流对铺管影响分析
• 3.5 托管架尺寸对铺管影响及托辊受力分析
• 3.6 深水S型铺管OrcaFlex静力有限元计算与结果验证
• 3.6.1 OrcaFlex简介
• 3.6.2 深水管道铺设静力分析OrcaFlex与ABAQUS计算结果比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 深水S型铺管管线非线性动力学研究
• 4.1 概述
• 4.2 深水铺管非线性动力学分析理论研究
• 4.2.1 刚性管线在波流联合作用下的动态响应分析
• 4.2.2 环境荷载和运动方程的解
• 4.2.3 平衡方程数值解法
• 4.2.4 设计统计和传递函数
• 4.3 深水铺管船在波流联合作用下动态响应研究
• 4.4 深水S型铺管动力有限元计算与结果研究
• 4.5 深水S型铺管OrcaFlex动力有限元计算与结果验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 主要创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 附录 深水S型铺管船托管架托辊曲线拟合主程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文及参与项目情况
• 致谢