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深水水下分离器结构完整性研究

【摘要】:随着海洋石油开发作业逐渐向深水区转移,水下生产系统已经成为高效的深水油气开发模式,其中水下分离器是整个水下生产系统的关键设备。水下分离器在深水环境中面临巨大风险,一旦发生事故将造成严重的经济损失和环境破坏。本文以国家高技术研究发展计划(863计划)“水下分离器关键技术研究”子课题“高外压交变载荷承压结构分析与测试技术研究及水下分离器安全保障技术研究”为依托,结合我国南海深水水下生产作业需求,以2000m深水水下分离器为研究对象,系统开展深水水下分离器结构完整性研究。在深水水下分离器结构适用性评估、结构强度与稳定性实验研究、全寿命周期风险分析和控制、泄漏演化机理及对策等方面取得重要的研究进展,形成一套深水水下分离器结构完整性管理方法,为保障我国南海深水水下分离器的安全运行提供科学依据。主要研究进展总结如下:1.深水水下分离器结构适用性评估考虑深水水下分离器结构材料非线性和几何非线性,针对水下分离器下放危险工况和正常操作工况,提出以“应力分类+5%应变+一致缺陷模态”极限分析为主体的三级结构适用性评估方法,并以2000m水下分离器原型样机为例,分析水下分离器结构失效极限载荷。基于子模型分析技术,构建包含嵌入式接管结构水下分离器三维精细数值分析模型,形成嵌入式接管结构应力分析方法,探究马鞍形焊缝焊趾应力分布规律,并分析焊缝切割孔半径、焊趾倾角和焊趾圆弧过渡半径对焊缝应力分布规律的影响。2.深水水下分离器结构强度与稳定性实验研究完成2000m水下分离器原型样机承压结构强度高压舱实验和缩尺样机高压舱压溃实验。解决高压舱实验关键问题,包括试验前ACFM检测、编制测点布置方案和加卸载程序,形成一套深水水下分离器结构测试实验方法。对比缩尺样机和原型样机极限分析结果,基于相似理论验证使用缩尺样机代替原型样机进行压溃实验的可行性。根据压溃破坏实验结果,探究缩尺样机的屈曲失稳发展过程。提取高压舱实验测点应变数据,与数值仿真模型结果进行对比,验证数值模型精度。3.深水水下分离器全寿命周期风险管理建立深水水下分离器全寿命周期安全保障技术框架,该框架基于设计、制造、下放、运行全寿命周期寿命指标体系,从事故前检测和预警、事故后应急处理两个方面进行风险控制,为深水水下分离器的风险管理提供指导性纲要。从适应条件、船舶资源要求、经济性等方面综合考虑,推荐深水水下分离器采用摆锤下放法,并基于HAZOP分析和JSA分析评估摆锤下放方法的过程风险。建立水下分离器运行阶段阻塞事故因果图模型和贝叶斯网络模型,分析其后验概率特征,探究阻塞事故最可能路径和影响因素敏感性,并引入安全屏障失效先兆数据,分析阻塞事故动态风险。4.深水水下分离器泄漏演化机理及对策研究深水水下分离器运行阶段任何失效形式最终都可能导致泄漏事故的发生。基于ICEM平台O型块网格映射技术,构建水下分离器内部流场三维结构化网格,在此基础上引入Realizableκ~ε湍流模型和Mixture多相流模型计算水下分离器初始流场。对初始流场近似处理作为小孔泄漏研究的初始条件,利用VOF模型的自由界面追踪能力,建立深水水下分离器小孔泄漏CFD分析模型,分析不同泄漏位置、不同水深对小孔泄漏过程的影响。针对水下分离器破裂泄漏导致的深海溢油事故,考虑深海内波的影响,探究水下分离器破裂泄漏演化机理。鉴于深水水下分离器运行阶段的泄漏风险,给出泄漏检测和控制策略。5.深水水下分离器结构完整性管理研究深水水下分离器结构完整性评价、结构可靠性评价和基于风险的检测维修规划,完善深水水下分离器结构完整性管理技术框架。分析腐蚀、凹陷、椭圆度结构缺陷对深水水下分离器承载能力的影响,并充分考虑水下分离器焊缝特征,提出深水水下分离器结构完整性评价技术。基于串联系统可靠性分析理论,给出水下分离器结构可靠性极限状态方程,引入腐蚀动态特征,形成深水水下分离器结构动态可靠性评估方法。基于“最小总费用”准则,开展水下分离器检修费用分析和概率分析,提出深水水下分离器基于风险的检修优化模型,给出最优检修方案。

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