深海极端环境下复合材料立管粘结接头的强度及断裂研究

With the developing of deep water oil and gas resources, technologies and equipments are facing new challenges. The application of composite risers has become a trend as its advantages. The joint in the pipeline system is the most prone to break, and now the adhesively bonded joint is gradually replacing the traditional joints as its light weight and high strength. How to guarantee the strength of adhesively bonded joint in the composite risers becomes an urgent project. In this project, the mechanical analysis model will be established for the adhesively bonded joint of the composite riser in the extreme marine environment.The strength and fracture problem of the adhesively bonded joint will be studied under the combined envirionment and working loading conditions, such as high-temperature, internal pressure, wave, current, and the strength evaluation standard and fracutre critirion will be established by the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experiments.

随着深水油气资源的开发, 其开发技术和装备也在不断面临新的挑战。复合材料立管在深海中突出的优势，其应用已经成为了一种发展趋势，而立管中的接头是管线系统最容易发生破坏的地方，粘结接头由于质量轻，强度大的优势逐渐取代了传统的接头，如何保障立管粘结接头的强度是目前急需解决的课题之一。本项目将建立有效的深海极端环境载荷和工作载荷联合作用下的复合立管粘结接头力学特性分析模型，通过理论分析、数值模拟和实验相结合的方法研究复合材料立管粘结接头在高温、内压、波浪、 海流等海洋极端环境载荷和工作载荷联合作用下的强度和断裂问题，对不含初始缺陷以及含有初始缺陷的粘结接头建立强度评价标准和断裂准则。

复合材料立管由于其质量轻、强度高、耐腐蚀等优势比较适合深水油气田的开发，但是另一方面，复合材料的立管接头部分由于存在不同材料的界面，属于立管系统中强度薄弱部分，如何建立海洋极端环境条件和工作条件的联合作用下的复合材料立管粘结接头的力学模型，并对其结构响应进行分析，建立强度标准以及断裂准则，是本项目的主要研究目标。通过研究建立了复合材料立管粘结接头的理论分析模型、数值分析模型和实验模型，对粘结接头的界面应力的分布进行了研究，并对粘结接头的破坏形式及破坏机理进行了分析；建立了深海极端环境载荷和工作载荷联合作用下复合材料立管粘结接头的数值分析模型，对接头的结构响应进行了分析，研究了复合材料各层的应力分布和界面应力分布，极限载荷，材料和几何因素对结构响应的影响；通过实验对含缺陷的立管粘结接头的结构响应进行分析，建立了复杂载荷下含缺陷粘结接头的数值模型，研究了含裂纹缺陷的粘结接头的应力强度因子的计算方法，并对裂纹的扩展规律，各层材料参数对扩展规律的影响进行了分析。这些成果的取得，对复合材料立管在深海中的应用尤其是复合材料立管设计中材料的选取，尺寸的设计，以及出现缺陷以后的强度的评估都有重要的意义，同时对钢制立管的复合材料修复方法的工程应用也有重要的意义。