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深水海底管道S型铺管法安装分析

作　者: 朱礼云
导　师: 白勇
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 深水海底管道 S型铺管 ABAQUS有限元 Matlab数值迭代
分类号: TE973
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着海洋油气开采不断向深水迈进,作为海洋“生命线”的海底管道,扮演着越来越重要的角色。而在各类海底管道项目中,施工设计往往又是项目中的难点,因此要想使我国的油气开采也走向深海,深水海底管道铺设技术是必须要掌握的一种核心技术。目前,国内相关企业和高校都已经开始了这方面的大力研究,但是由于该项技术本身的复杂性,目前还面临很多亟待解决的难题。尽管我国早期的海底管道铺设多采用拖管法安装,但是随着水深的不断加大,目前我国的海底管道铺设也大部分都采用铺管船法铺设,而在各类铺管船铺设方法当中,S型铺管法又是当今最受青睐的一种,特别是新一代的动力定位铺管船的诞生,更是将S型铺管法引向几千米的深水。首先,本文在阅读了大量S型铺管国内外相关文献的基础上,对国内外油气资源开采和S型铺管分析进展做了认真总结。继而对海底管线所用到得各类铺管方法都做了较为详细地介绍,主要包括他们各自的铺管方式、优缺点以及适用范围。此外,对深水S型铺管中经常用到的几种数值求解法的理论分别做了比较详细地论述。其次,本文打破了以前工程界对OFFPIPE专业铺管软件的过度依赖,自主采用通用有限元软件ABAQUS对某深水600m海底管道进行了深水S型铺管的建模、建立载荷步、施加边界条件并运行ABAQUS提取出所关心的计算结果。其中,建模及边界条件的施加全部是通过ABAQUS/CAE实现,而载荷步中的浪流载荷则是通过编辑相关的.inp文件通过添加AQUA模块实现。此次深水S型铺管ABAQUS算例分析在一些模型简化的基础上,通过合理地模拟分析之后提取到了几乎所有S型铺管静力分析所关心的计算结果,如S型曲线形态、应力应变分布图、弯矩分布图和张紧器的张紧力等。这些结果的正确性主要是通过第四章Matlab理论数值迭代法进行同一个算例分析所得到的结果进行验证的。然后,本文为了验证深水S型铺管ABAQUS算例分析的正确性,采用了一种新型的Matlab数值迭代模型进行了同一个算例的深水S型铺管静力分析。该方法的创新之处在于综合地运用了前面很多学者的S型铺管理论研究成果并成功地完成了深水S型铺管的静力分析,包括早期一些学者提出的通过将拱弯段简化成理想的圆弧,然后用材料力学知识求解出管内的弯矩及应力应变的理论、顾永宁所采用的近似求解升离点往下一小段曲率所提出理论表达式、白勇在SPR一书中关于近似计算张力和曲率之间关系所用到的自然悬链线理论以及求解从着地点到已经铺设到海底的管段所采用的基础梁理论。该方法的计算结果与ABAQUS计算结果十分接近,所关心的许多关键性结果的误差基本都不到5%,很好地表明了通用有限元ABAQUS计算结果的正确性。最后,在算例分析之后,本文对深水S型铺管中关键性的参数做了一些参数敏感性分析,找出了深水S型铺管的受力特点和变化规律,得出了一些对于实际工程有借鉴意义的结论,并对深水S型铺管的发展进行了一些必要的展望。

全文目录

摘要 6-8Abstract 8-12第1章绪论 12-18 1.1 论文的研究背景和意义 12-14 1.2 国内外研究现状 14-17 1.2.1 国内油气资源开发历程和海底管道S型铺管研究现状 14-16 1.2.2 国外油气资源开发历程和铺管技术研究现状 16-17 1.3 本文工作要点 17-18第2章深水铺管法介绍及常用的数值分析方法 18-40 2.1 海底管道铺设方法及铺管船型概述 18-19 2.2 常用的几种深水铺管法及对比 19-27 2.2.1 S-lay铺管法 19-23 2.2.2 J-lay铺管法 23-25 2.2.3 Reel-lay铺管法 25-26 2.2.4 三种常用的深水铺管法比较 26-27 2.3 深水S型铺管常用的几种数值求解法 27-39 2.3.1 深水S型铺管Matlab数值迭代法 28-31 2.3.2 深水S型铺管中应用的非线性有限元理论 31-37 2.3.3 悬链线法在深水S型铺管分析中的应用 37-39 2.4 本章小结 39-40第3章深水S型铺管算例分析 40-58 3.1 ABAQUS程序概述 40-41 3.2 海床土壤类型及常用土壤分析模型简介 41-42 3.3 深水S型铺管算例分析输入参数 42-47 3.3.1 深水S型铺管算例分析的管道设计参数 42-43 3.3.2 管材材料弹塑性及本构模型 43-45 3.3.3 Mises强度理论 45-46 3.3.4 施加环境载荷所需的参数 46-47 3.4 深水S型铺管有限元法算例分析 47-57 3.4.1 深水S型铺管算例分析中的ABAQUS模型 47-50 3.4.2 边界条件的处理 50-51 3.4.3 算例分析ABAQUS分析步介绍 51 3.4.4 DNV规范关于海底管道铺设的相关规定 51-53 3.4.5 ABAQUS分析计算结果 53-57 3.5 本章小结 57-58第4章深水S型铺管MATLAB数值迭代法算例分析 58-68 4.1 MATLAB软件简介 58 4.2 深水S型铺管MATLAB迭代公式及流程 58-65 4.2.1 深水S型铺管Matlab分段数值迭代计算公式 58-64 4.2.2 深水S型铺管Matlab数值迭代计算流程图 64-65 4.3 深水S型铺管MATLAB数值迭代法与有限元法计算结果比较 65-67 4.4 本章小结 67-68第5章深水S型铺管敏感性参数分析 68-76 5.1 水深变化对深水S型铺管的敏感性分析 68-69 5.2 壁厚变化对深水S型铺管的敏感性分析 69-70 5.3 海流变化对深水S型铺管的敏感性分析 70-73 5.5 深水S型铺管的动力分析 73-75 5.6 本章小结 75-76结论 76-78 主要成果及结论 76-77 研究工作展望 77-78参考文献 78-81攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 81-82致谢 82

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