海洋柔性管缆水下浮力模块关键性能分析研究

作     者：王静远 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳前进

授予年度：2021年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：浮力装备 分布式浮力模块 防接触余量 固体复合浮力材料 

摘      要：海上石油和天然气资源的勘探和开发是一项高度综合的项目,受水深、水文环境、海上距离和地质条件等诸多因素的影响,其中,海洋柔性管缆系统技术占有重要地位。由于水下工作环境的特殊性,海洋管缆在位工作期间,需要长期承受风、浪、流以及其联合作用下的多种环境载荷。为了保证海洋管缆在位工作期间的安全性,最有效的方法是通过安装海洋管缆附属设备对其进行保护。海洋管缆附属装备根据其功能不同,分有多种附属装备。其中,浮力装备是通过安装在海洋管缆浮力段位置来提供额定的浮力,以达到维持柔性管缆设计线型的效果。浮力装备中使用率较为广泛的装备为分布式浮力模块,我国对于该装备产品的应用仍有赖于国外相关专业技术公司的产品进口,国产化程度暂不成熟。因此全面科学的钻研分布式浮力模块关键技术难题,完成我国自主设计研发的分布式浮力模块装备制备,对于我国海洋科学技术和海洋工程装备技术的发展具有重大意义。本文重点分析了分布式浮力模块的关键性能—浮力性能,侧重于研究分布式浮力模块基本设计中结构设计环节和材料设计环节的影响趋势对分布式浮力模块整体性能的影响。首先论证了针对主要研究方向和分布式浮力模块的关键性能的核心问题。然后在分布式浮力模块的设计工作基础上分析了失效模式和设计要求,提出了分布式浮力模块的设计准则。基于设计准则,分析研究了分布式浮力模块基本设计工作内容中的结构设计阶段。同时基于设计准则,对分布式浮力模块基本设计中材料设计工作展开分析,列举了行业内浮力模块常用材料,详细说明了各类材料的特点和适用领域,并针对应用范围最广、技术最成熟的固体复合浮力材料,研究了材料性能与浮力模块整体性能之间的关系。分析了密度性能和强度性能的影响趋势,通过ABAQUS数值模拟软件建立了材料微观模型和浮力模块结构模型,研究了破坏机理。最后以南海某海域的科学试验场的动态监测海缆线型设计和附属装备设计工程项目作为工程实例,设计了浮力模块的总体性能参数,完成了分布式浮力模块浮力设备的基本设计工作。基于本文研究成果,针对分布式浮力模块工作原理和海洋柔性管缆在位工作线型和结构,设计了具有普遍适用性的分布式浮力模块结构形式,同时给出了浮力模块各个结构参数的计算公式。在综合分析材料设计研究各项结果后,研究结果表明改变空心玻璃微珠体积分数对分布式浮力模块密度性能与耐压强度性能均会产生影响,并给出了分布式浮力模块材料设计指导建议。