30米天然气水合物保真采样器的设计

论文摘要

随着石油等不可再生能源的消耗,人类把目光投向了海底未开采的资源一天然气水合物,它存在于几千米海底的沉积物中,在低温高压下形成冰晶状固体。本文主要针对海底沉积物中的天然气水合物的采集取样,研制一套天然气水合物的保真取样系统。目前的天然气水合物采样系统不具备对采集的沉积物样品保压效果,且使用重力活塞原理的采样器采样深度浅。本文设计的采样器可望解决上述两大问题。全文共分六章:第一章首先介绍了天然气水合物的背景知识,然后分析了天然气水合物采样器在国内外的发展现状,最后提出了课题研究的目的意义和主要内容。第二章先介绍采样器的工作原理,然后对各个部件进行结构和尺寸上的设计和校核,特别是对三个重要部件的仿真计算。在螺纹连接处使用两种原理对螺纹进行仿真校核。第三章是对采样器采样过程中采样深度、阻力变化、采样速度在不同配重、初速度、海底底质、保真筒内外径的情况下的影响做了建模及仿真计算。并对保真筒进行了压杆稳定分析。第四章是通过采样器与土作用的阻力模型试验来对第三章中的阻力变化仿真计算进行校核,发现第三章的仿真情况比较真实。第五章围绕压力补偿系统中的蓄能器的选型计算进行研究,通过计算选出适合的蓄能器的型号。第六章总结全文,阐述本论文的研究成果,并提出下一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.2 国内外目前采样器的发展现状
• 1.2.1 保压取芯器PCS
• 1.2.2 保压取样筒PCB
• 1.2.3 HYACE系统
• 1.3 课题的意义和目的
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第二章 采样器系统设计研究
• 2.1 采样器工作原理
• 2.2 主要材料的选用
• 2.3 压力容器设计准则
• 2.3.1 壁厚设计准则
• 2.3.2 封头设计准则
• 2.4 保真筒结构设计及壁厚计算
• 2.4.1 保真筒体的结构设计——分段制造与对接
• 2.4.2 保真筒壁厚计算
• 2.5 保真筒螺纹设计研究
• 2.5.1 螺纹连接结构静力学仿真模型的建立
• 2.5.2 螺纹连接静力学分析结果
• 2.5.3 形状改变比能准则（第四强度理论）
• 2.5.4 螺纹连接非线性有限元模型建立
• 2.5.5 螺纹连接非线性有限元分析结果和研究
• 2.6 活塞设计及校核
• 2.6.1 活塞斜面正应力校核
• 2.6.2 活塞厚度计算
• 2.7 密封舱壁厚计算
• 2.7.1 密封舱设计计算
• 2.7.2 密封舱仿真建立和结论
• 2.8 支撑环的设计
• 2.8.1 支撑环剪切校核
• 2.8.2 支撑环挤压校核
• 2.9 密封舱筒体下端部设计
• 2.9.1 挤压校核
• 2.9.2 剪切校核
• 2.9.3 密封舱筒体下端部抗弯校核
• 2.9.4 下端盖设计
• 2.10 下翻盖设计
• 2.10.1 翻盖厚度计算
• 2.10.2 正应力校核
• 2.10.3 翻盖位置计算
• 2.10.4 O形圈的选用
• 2.11 下封口密封性能的下密封舱样品入口端引水冲洗技术
• 2.12 导流装置半圆式连接结构的设计
• 第三章 采样器取样仿真与压杆稳定校核
• 3.1 水中自由下落高度确定
• 3.1.1 取样管内摩擦力计算
• 3.1.2 取样管外摩擦力计算
• 3.1.3 刀头迎风面阻力计算
• 3.1.4 活塞排水阻力
• 3.1.5 自由落体阶段采样器运动方程确定
• 3.2 采样器插入沉积物深度计算
• 3.2.1 采样器取样过程受力分析
• 3.2.2 管侧总摩擦阻力计算
• 3.2.3 管端总阻力计算
• 3.2.4 采样器合阻力计算
• 3.2.5 运动控制方程确定
• 3.2.6 取样过程计算参数设定（表3-1）
• 3.2.7 单因素条件下，取样效果影响规律
• 3.2.8 采样器操作参数选择
• 3.3 采样器采样过程压杆稳定校核
• 3.4 仿真计算结果与分析
• 第四章 沉积物采样器与土作用阻力模型试验研究
• 4.1 试验系统
• 4.2 试验步骤及试验记录
• 4.3 试验结论及分析
• 第五章 蓄能器选型
• 5.1 设计保证
• 5.2 设计计算
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢