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6、海洋工程技术与断裂失效分析技术研究

(联系人:曹宇光,13685420075caoyuguang@gmail.com)

(1)自升式平台齿轮齿条升降系统关键技术

项目来源

² 中国博士后科学基金面上项目

² 中国博士后科学基金特别资助项目

² 山东省博士后创新基金项目

² 胜利石油管理局博士后基金项目

课题围绕齿轮齿条升降系统结构设计、受力分析、失效分析、损伤检测与评估、损伤修复等方面展开了深入研究,取得的主要研究成果包括: 1)发明了一种单电机驱动双输出齿轮形式的升降单元,填补了国内关于自升式平台升降单元结构设计的空白,其单个升降单元的正常升降负荷达到450t,升降速度为0.4m/s2)基于自升式平台内力分析,提出了升降单元受力分析方法以及平台倾斜角度计算模型,创建了基于损伤检测与数值模拟方法相结合的齿轮齿条升降系统损伤评估技术;3)自主研发了基于温度场检测和模拟预测的大型开式齿轮轮齿损伤分析、评估与修复方法。

                                                          升降系统装配示意图


                                                                点蚀齿轮啮合应力分布图

项目在国内外学术期刊上发表论文10篇,获得授权发明专利1项,实用新型专利1项目的研究成果应用于多艘自升式平台的结构设计与安全评估中,取得了显著的经济效益。项目于2012年通过山东省科技厅科技成果鉴定,达到国际先进水平。

(2)水下储油防污染及保温关键技术研究

项目来源

² 国家863计划项目

我国已探明海洋油气储量主要在近海海域,近海已经发现的一些边际小区块有待开发。这些小型区块如果采用管道集输、固定储罐平台或单井靠船生产方式,开发成本过高。为此提出水下储油生产方式,通过降低平台所受工作载荷及外部环境载荷,大幅降低边际油田油气集输环节成本。

水下储油需要克服水下储罐所受巨大浮力,主要有重力式平台水下储油和油水置换水下储油两种方式。重力式平台规模大、投资高,且储油量变化引起地基受力变化大,一般不适合边际油田采用。油水置换方式经济高效,但随之产生的污染问题及高凝原油保温问题严重制约了油水置换技术的应用。

通过本项目研究,形成了油水隔离水下储油模式、水下储油保温技术方案、漏油水下收集与暂存技术、储油工艺流程、油水隔离膜选材方案等研究成果。课题组主要负责该课题结构受力分析、油水隔离膜优选、储油工艺流程等的研究工作。


                                                             油水隔离膜优选试验测试

  

(3)海底管线检测器关键技术

项目来源

² 国家863计划项目

由于海底管线发生泄漏时将造成巨大的经济损失和严重的海洋污染,世界各海洋石油生产国对海底管线的在线检测十分重视。许多发达国家通过立法要求对管线进行定期检测,我国人大也正在对石油管线保护进行立法。

各国研究部门和开发部门对管线的检测特别是海底管线的在线检测系统特别关注并进行了大量的研究工作。目前,我国已掌握了长输油气管道的腐蚀缺陷检测技术,但在海底管线内检测方面尚未形成实际工程化应用能力。

    海底管道检测器通过弯头或极限状态时(较大变形),受到皮碗变形、检测器的单节外形尺寸、检测器整体运行姿态、检测器万向结尺寸、流体流速、管壁清洁度等多种影响因素的影响,可能造成检测卡堵在管道内,造成严重的后果。通过本课题的分析研究,可以找出各影响因素对管道检测器通过能力的敏感度,寻求最优的组合设计方案,对防止检测器发生卡堵提供技术支持。

                                                              海底管线检测器有限元模型

  


(4)深海水下安装就位技术研究

项目来源

² 中石化重点科技攻关项目

深海水下生产系统的水下生产装置、水下处理装置、管线、电缆等,是深海油气开发的必备设施,目前主要产品建造与就位技术均为国外垄断,严重制约了我国的深海油气开发事业,也不利于保护合法海洋权益。国家海洋工程装备制造业中长期发展规划和船舶工业十二五发展规划中均将水下生产系统列为重点发展范围。

课题拟结合我国深海油气勘探开发的需求,跟踪国外先进技术,开展适合深海水下生产系统建造就位的工程船舶定位、吊装、工程支持、控制、监测等技术研究。形成具有自主知识产权的适合于深海油气勘探开发的水下生产系统安装与就位技术,为我国深海油气田的开发提供技术支持和保障,提高海洋工程装备的设计、建造、安装就位技术水平,缩短与国外先进水平的差距,形成核心竞争力。

                                                                                                                       深海水下产生系统


(5)自升式平台桁架桩腿结构安全关键技术

项目来源

² 中石化重点科技攻关项目

随着勘探区块水深的增加,及海上开发模式从功能单一的小型采油平台向多井组平台发展,平台甲板距离水面气隙越来越高,圆柱腿自升式钻井平台(圆柱腿自升式平台最大工作水深仅50m)已越来越不能完全满足海上勘探开发需要,因此迫切需要更新、建设作业水深更大的海洋钻井装备,桁架桩腿自升式钻井平台具有工作水深更大的能力,可覆盖目前大部分近海海上区块。因此,结合国产设备情况,研发具有自主知识产权、适合于近海区块勘探开发需要的桁架桩腿自升式钻井平台对发展中石化海洋油气勘探开发是非常必要的。

对于桁架桩腿平台,水深较大,环境条件恶劣,管结点疲劳失效是威胁桁架桩腿安全的最大隐患,必须对桩腿管结点进行强度与疲劳分析;RPD 不仅可以有效地表征支撑管轴向载荷的大小,也可以表征桩腿的姿态,过去几年间,对一些自升式钻井平台安装定位事故的调查证实,桩腿支撑管结构(水平横撑、斜撑)屈曲失效的事故很多,因此有必要对RPD进行详细研究;另外,随着作业水深的增加,波浪、海流等环境载荷变得非常大,需要考虑动力效应,对平台的振动、动力响应及二次弯矩的附加效应等进行分析。因此,本课题将上述内容作为自升式平台桁架桩腿结构安全关键技术进行攻关,取得了良好的研究成果。


管节点应力分析与试验测试

桁架腿平台有限元模型


(6)金属断口定量反推与断裂失效分析研究

项目来源

² 国家自然科学基金项目

² 中央高校基本科研业务费专项资金项目

断口分析是断裂失效分析的重要手段。断口是构件在试验或使用过程中断裂后所形成的相匹配表面,其形成不仅与材料成分、组织及构件的结构有关,而且与构件断裂失效时的受力状态和环境有关。断口是断裂失效最主要的残骸,是断裂失效分析的主要物证,记录了从裂纹萌生、扩展直到断裂的全过程。

断口定量反推是通过对断口形貌特征和其他信息的定量描述,在断口特征形貌与力学性能及断裂过程的各种参数之间建立起关系,达到从断裂结果到断裂过程的反向推导,深入了解断裂本质,精确判定断裂模式和影响参量。

随着电子显微镜技术和计算机技术的发展,断口三维重建成为可能并且越来越被人们广泛应用。美国的斯坦福研究院的高级研究员Takao提出了FRASTA方法,该方法认为,构件在断裂失效后,其断口表面下材料的塑性变形会维持断裂时的状态不发生改变,因此,如果把两个成对断口之间的相对位置回退到裂纹扩展以前,则上下断口面之间相互重叠的部分代表断裂过程中的拉伸塑性变形、相互分离的部分代表压缩塑性变形。

在此基础上,课题组将FRASTA方法应用于金属断口整体研究,总结出了一套针对部分标准试件断口从整体三维建模、断裂过程模拟到部分断裂力学参量(CTOA/CTODJ积分、 载荷等)反推的有效方法,并通过大量的实验证明该方法具有较高的精确度和很强的实用性,相应的分析计算软件也被开发出来。

研究成果发表于International Journal of Fracture, Engineering Failure Analysis, Acta Metallurgica Sinica金属学报等杂志。

断口表面

非接触式三维测量系统及记录的断口

FRASTA原理