深水油气开采柔性立管可变螺旋倾角铠装层弯曲力学特性研究

As an important riser form connecting floating platform and subsea production system, flexible risers are widely used in the field of deep water oil and gas resources exploitation. In practical applications, flexible risers are vulnerable to the combined loads of tension and cyclic bending. Each layer structure exhibits complex interaction on curved surface configuration under bending condition, which makes it very difficult to analyze the bending behavior of these structures. Nonlinear bending mechanism of flexible riser with hysteresis effect remains to be studied. The geometrical analysis of variable helical angle in armour wires is intended to be applied in this project. The movement intendancy of local armour wires is revealed by using a combined method with theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. Building a tangential strain solver of tensile armour wires in flexible risers, the influence by friction form and slip condition on armour wires is emphasized. Furthermore, the global bending model of flexible risers is established. The non-linear hysteretic result of resultant bending moment on flexible risers is obtained. The research will provide a theoretical basis for the selection of bending moment value in the global analysis of flexible risers, which can improve the engineering design level of flexible risers, and have vital significance for the safe and efficient development of deep water oil and gas resources.

柔性立管作为连接浮式平台与水下生产系统的重要立管形式，在深水油气资源开采领域的应用范围极广。实际使用工况中，柔性立管容易受到拉伸与循环弯曲载荷的联合作用，各层结构在弯曲形态下存在曲面构型上的复杂相互影响，使得这类结构的弯曲行为分析非常困难。迟滞效应影响下柔性立管弯曲非线性机理有待研究。本项目拟采用可变螺旋倾角铠装层的几何分析思路，通过理论分析、数值模拟、试验研究相结合的方法，揭示柔性立管局部铠装层的运动变化趋势，构建柔性立管抗拉铠装层切向应变求解模型，阐明摩擦形式与滑移状态对铠装层结构行为的影响，进而建立柔性立管整体结构弯曲力学模型，获得柔性立管截面弯矩非线性迟滞计算结果。研究将为柔性立管整体分析中的施加力矩值选取提供理论依据，有助于提升柔性立管的工程设计水平，对深水油气资源的安全高效开发具有重要意义。

面向深水油气资源开采领域的广泛应用需求，以柔性立管弯曲结构为重点研究对象，本项目围绕柔性立管的局部弯曲运动，构建了可变螺旋倾角铠装层的几何结构，探究了侧向滑移应变模型、整体弯曲非线性理论等关键技术对柔性立管力学行为的影响机制。项目的主要研究内容包括：.（1）基于可变螺旋倾角的柔性立管局部铠装层弯曲运动机理。利用非欧几何学范畴下的曲面构型理论，探究了铠装层的实际滑移运动与螺旋倾角改变之间的几何模型，并建立了基于微分几何学理论的数学计算结果。通过单元试验验证了柔性立管局部结构内相关内蕴几何量与铠装钢丝螺旋倾角的变化趋势；.（2）考虑铠装侧侧向滑移的铠装钢丝应变模型。结合柔性立管的外部载荷、各层挤压以及圆筒结构摩擦因素的影响，建立了以侧向滑移为临界点的铠装钢丝应变模型，研究了铠装钢丝在不同滑移状态下的弯曲变形，形成了铠装钢丝在侧向滑移开始前后不同的应变解析表达式，为后续整体弯曲分析提供精确的理论基础；.（3）迟滞效应影响下柔性立管弯曲非线性整体分析。以前述局部分析的理论结果为牵引，构建铠装钢丝三维梁单元力学模型，通过非能量法等整体分析方法的局部积分法，得到了基于矢量推导的整体铠装层截面弯矩计算公式，分析了理论模型中由可变螺旋倾角所带来的弯曲非线性迟滞效应，完善了弯曲情形下柔性立管整理力学分析的理论计算方法，并通过单元实验结果验证了算法模型的有效性。.在本项目资助下，相关理论与方法在APPL MATH MODEL等TOP期刊发表5篇，课题组参加国际会议2次，并培养研究生4名。上述取得的研究成果和关键技术揭示了柔性立管局部结构的运动规律与整体弯曲的非线性方法，为面向深水油气资源开采柔性管线的设计与使用提供了坚实的理论基础和技术支持。