海洋立管法兰结构设计与有限元-分析

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文1．1课题目的与意义第1章绪论2l世纪是海洋资源开发的新世纪，世界各国把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的战略目标。80年代以来，美、日、英等国都相继提出了优先发展海洋高技术的战略决策。1985年，美国率先制订《全球海洋发展战略与规划》，日本政府制订了《面向21世纪海洋开发推进计划》，英国海洋科技协调委员会发表《90年代英国海洋科技发展报告》。我国“九．五”期间，《国家863高技术计划海洋领域》项目正式启动，标志着我国进入了国际开发海洋的行列。随着陆上可用资源日益短缺和近海资源开发日益成熟，海上资源勘探、开发与利用正迅速向深海区域发展

2、。据有关报告指出，世界成熟浅水区域油气新发现的规模正大幅下降，而在占全部海洋面积80％的深海区域蕴藏着丰富的油气资源，超过1000米水深的油气田的平均储量规模将是浅水区域的两倍以上，勘探投资拥有较高的回报率，因此海洋开发逐渐向深水进军。尽管深水勘探钻井比大陆架和陆上钻井的总费用支出高，但是在深水区域能获得更多的油气储量，因此总体上平均单位发现成本并不高n1。不管海洋油田开发采用何种浮式方案，都需要使用立管系统，它是海洋基础结构的关键组成部分，是连接水下井口与水上浮体，内有各种用途管路的管状通道。下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合。其内部一般有

3、高压的油或气流通过，且处于复杂的海洋环境中，外部承受波浪、海流荷载等的作用，所以它薄弱易损。立管接头作为立管连接的主要部分，其作用显得更为重要，若立管接头系统的结构不合理或结构强度不够，可能会浪费安装及维修时间，甚至造成立管系统的破坏，造成油气泄漏，不仅工程本身遭受损失，污染环境，而且可能造成严重的次生灾害。立管接头是一种快速装卸立管的方式。在安装和操作时，立管法兰可以传递立管重量给安装架。并且给辅助管线和浮力装置产生的反作用力提供支哈尔滨工程大学硕士学位论文持。它在传递立管承受载荷的过程中起到重要作用。立管接头主要有五种型式，其中一种为螺栓法兰连接，它既是一种可拆联接件

4、，又是一种承压密封件。法兰接头是由法兰一被连接件：垫片一密封元件：螺栓、螺母一连接件组成。法兰连接一般是由为保证立管、管道和设备正常而又安全运行，法兰连接应作到：。1．有足够的强度，不因可拆卸连接的存在而削弱整体结构的强度，连接结构本身也要能抵抗所有的作用力；2．连接处保持密封不泄漏，螺栓法兰整个系统有足够的刚度，尤其在操作外力及温度有波动，介质有腐蚀情况下，仍能保证紧密密封；3．能迅速并多次重复装拆；4．经济合理乜1。因此本文本着满足以上要求的目的来研究立管法兰系统，为我国海洋开发提供技术支持。1．2本章小结本论文主要做了以下研究：1．对目前采用的国内外管道法兰标准以及

5、设计理论进行系统研究；2．在法兰设计理论及标准研究的基础上，重点介绍美国ASME压力容器规范中选用的法兰强度计算方法，即Waters法。并使用该方法对设计的法兰系统进行理论强度校核。且对拧紧法兰所必需的预紧力及预紧力矩的取值进行详细分析；3．比较目前一些大型计算软件，选取／埘SYS软件。介绍该软件的主要功能。用该软件对立管法兰系统建三维有限元分析模型，对法兰整体进行分析；并使用该软件中的子模型法对法兰沉孔建模分析。也对螺栓建立二维有限元模型分析螺栓受力；4．对多种工况下法兰系统和螺栓的应力强度及疲劳分别进行分析，定量描述法兰在设计工况下的真实应力状态和应变状态。本论文以立

6、管法兰接头为研究对象，将与法兰接头有相关作用的各零部2哈尔滨下程大学硕士学何论文件作为一个系统(包括上下法兰——密封垫片——压紧法兰的螺栓螺母等零件)。根据压力容器规范对法兰系统各部分强度进行理论校核。并且对立管法兰系统分别作整体及局部有限元分析以校核法兰系统的强度和疲劳。为我国海洋立管法兰的设计建造提供参考，并为我国海洋开发事业作出应有的贡献。哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章国内外法兰设计2．1立管法兰系统设计立管系统包括许多组件，例如：法兰，管配件，密封圈，螺栓，阀门等。这些组件必须符合立管的设计条件，并且与管线的材料，腐蚀，焊接方面要求一致。标准的法兰材料和尺寸主要

7、根据规范ASMEB16．5，APISPEC17D和MSSSP-44而定。法兰具体计算设计根据美国ASME锅炉和压力容器的VIII部分。垫圈及螺栓是法兰的配件：垫圈的材料和尺寸主要根据ASMEB16．20和APISPEC6A。而螺栓的标准材料和螺栓扭矩主要根据ASMEB16．5和APISPEC6A。现行螺栓法兰连结系统设计有GBl50、ASME规范和DIN2505标准规定的方法。GBl50方法基本沿用美国ASME规范，依据垫片系数和比压力Y进行连接设计，主要考虑了连接结构的强度。DIN2505方法则注意到垫片力、介质力使法兰产生