海底管道懸跨疲勞控制方法研究

1、受理編號:天津市塘沽區(qū)科技發(fā)展資金項目申請書項目名稱：海底管道懸跨疲勞控制方法研究項目類別：科技成果轉(zhuǎn)化專項經(jīng)費總額：120萬元，其中：申請區(qū)科技資金：20 萬元項目負責人：余建星、孫楨主承擔單位： 天津天大濱海船舶與海洋工程硏穽院聯(lián)系人電話傳真訊地址：天津塘沽新北路4668號郵政編碼：300451由子郵箱： sunzryvip 申請日期： 2009. 0821天津市塘沽區(qū)科學技術(shù)委員會二oo八年制填寫說明1. 本申請書及其附件是項目評審、評估、論證的唯一依據(jù)。項目申請單位 和申請人必須實事求是填寫本申請書，確保項目信息表與資金預算、實施

2、方案 中的內(nèi)容和數(shù)據(jù)完全一致，并提供真實而必要的證明材料。一旦發(fā)現(xiàn)申報材料 中有弄虛作假行為，將取消其立項資格。2. 本申請書適用于塘沽區(qū)科技發(fā)展資金項目，申請人必須按照“年度項 目指南”填寫所屬項目的具體名稱。3. 項目申報材料包括：(1 )天津市塘沽區(qū)科技發(fā)展資金項目申請書統(tǒng)一用a4紙打印和復印, 左側(cè)裝訂成冊。請不要另行制作封面，不采用膠圈、文件夾等帶有突出棱邊的 裝訂方式。內(nèi)容包括：a. 項目信息表(表中的各欄目不得空缺，無相關(guān)內(nèi)容時填“無”，不得超 過規(guī)定字數(shù)，不得改動表格的格式和內(nèi)容，數(shù)字一律取整數(shù)，單位名稱要寫全 稱)；b. 項目實施方案；c. 附件(發(fā)明專利證書、小試成果報告、

3、科技查新報告、樣品檢測報告以 及其它能說明項目技術(shù)水平和來源、知識產(chǎn)權(quán)歸屬等的證明材料，承擔單位間 的合作協(xié)議等)。(2)申請書電子文檔一份，以“項目名稱”為文件名，包括除附件外的 全部申報材料。4. 項目申請者必須從區(qū)科委網(wǎng)站( )或天津濱海生 產(chǎn)力促進中心網(wǎng)站( )下載"塘沽區(qū)科技發(fā)展資金項目 申請書”，嚴格按照表格格式和要求填寫和打印，不得自行改變版式、取消和 增加條目。、項目信息表項目基本信息稱 名 目 項別 類 目 項著 顯 益 效 濟 經(jīng)無項目負責人及項目組情況項目負責人名 姓星 rc 余男齡 年115務(wù) 職長 院 副授 教 稱 職士 博業(yè) 專界程號 證 份 身話 電真

4、傳其他主要成員名 姓欣 海 吳女士 學副教 授煬 明 傅男無超 文 晉男3無航 雪 卞男無基 清 周男無楊 余男無軌數(shù)i留學 回國 人數(shù)才 人 養(yǎng) 培級 高 正級 高 副級 中級 初它 其生 士 博生 士 碩生 科 本7o1x1x411411主承擔單位產(chǎn) 資 總oooo30%無無無無項目簡介立項 目的 與必 要性 （250 字 左右）懸跨段表面的旋渦泄放導致隨時間變化的交變應(yīng)力的出現(xiàn)，在交變力的循環(huán)作用下，懸 跨段發(fā)生振動。當旋渦發(fā)放頻率等于或接近懸跨固有頻率時，懸跨出現(xiàn)共振；而當旋渦發(fā)放 頻率遠離懸跨共振頻率區(qū)間時，懸跨出現(xiàn)微幅振動，若長期處于這種狀態(tài)，懸跨會出現(xiàn)疲勞 現(xiàn)象，如裂紋、斷裂等。

5、由此可知，疲勞分析對于海底管道的設(shè)計、施工以及營運至關(guān)重要， 因此，需要進行深入研究。工作 基礎(chǔ) 及已 具備 條件 （200 字 左右）大型儀器設(shè)備有：多功能方向譜波流港池，造波系統(tǒng)采用國際先進的交流伺服電機控制 剛性餃連接蛇形方向譜造波機，能夠有效模擬各種自然波譜，使港池總體水平居國內(nèi)先進水 平；不規(guī)則波流水槽，在國內(nèi)首次提供沉入式結(jié)構(gòu)測試條件，可以實現(xiàn)軟土地基一結(jié)構(gòu)一波 流三項耦合的實驗效果；波流水槽，可以實現(xiàn)變坡功能；大型結(jié)構(gòu)與土相互作用實驗研究系 統(tǒng)；低溫冰力學與冰工程學實驗研究系統(tǒng)，為國內(nèi)唯一的低溫冰工程實驗室；海洋與船舶工 程實驗水池；循環(huán)單剪儀，可以模擬波浪、地震等動荷載作用下地

6、基土尤其是海洋軟土的性 能變化；靜動三軸儀、水工測試系統(tǒng)、3分量激光多普勒測速儀等。總體 目標 （200 字 左右）本課題以深海海底管道疲勞為主要研究內(nèi)容，擬通過國內(nèi)外調(diào)研、試驗和數(shù)值模擬分析 對深海海底管道疲勞發(fā)生機理、發(fā)生條件等進行研究，提出深海管道疲勞控制方法，為深水 海底管道抗疲勞設(shè)計、建造和維護提供參考。主要 實施 內(nèi)容 （250 字 左右）搜集的文獻應(yīng)以近十年的otc、omae、isope為主，應(yīng)能充分反映深水海底管道懸跨設(shè)計最 新研究成果，并對前沿的設(shè)計方法進行總結(jié)；將d11v-rp-f105dnv-os-f101作為主要規(guī)范，對現(xiàn)有基于規(guī)范的抗疲勞設(shè)計流程進行總結(jié)； 開展深水海

7、底管道在底流和海床土壤共同作用下懸跨形成機理方面的研究；渦激振動疲勞分析方法研究，其中，包括渦激振動發(fā)生機理、疲勞分析理論等方面的理論研 究以及高效數(shù)值求解方法的探討；臨界懸跨長度確定方法研究，分析影響海底管道臨界懸跨長度因素； 進行安裝、水壓試驗、操作三種工況下海底管道懸跨渦激疲勞研究；主要 創(chuàng)新點（200 字左右）在借鑒近幾十年來的相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，基于中國海域環(huán)境特點，提出渦激振動疲勞分析 模型，并應(yīng)用前沿的計算方法定量地分析疲勞損傷?；谠摾碚撗芯浚Y(jié)合我國工業(yè)加工能 力以及配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，項目組將提出切實可行的抑制管道渦激疲勞的工藝方法， 申請相關(guān)領(lǐng)域的專利，實現(xiàn)科技成果在

8、工程實踐領(lǐng)域的創(chuàng)新；該專利的實際果經(jīng)過實驗論證 之后，將會在工程生產(chǎn)中應(yīng)用，實現(xiàn)風險規(guī)避的總體方針，在國內(nèi)海洋工程施工中，具有一 定的前詹性。工作 進度 安排 （200 字 左右）2009年3月至9月：國際、國內(nèi)市場調(diào)研、基礎(chǔ)信息采集；2009年9月底：提交搜集到的文獻的調(diào)研報告以及相應(yīng)規(guī)范的總結(jié)報告；2010年3月底：中期檢查，主要考察懸跨形成機理以及疲勞分析方法方面的研究成果；2010年12月底：結(jié)題審查，考察項目總體研究情況；主要 考核 指標（400 字左 右）1. 可獲得的成果（項目完成時可達到的階段，具體技術(shù)成果等）：深水海底管道懸跨疲勞研究進展調(diào)研報告； 深水海底管道懸跨疲勞方法分

9、析方法研究報告；2. 技術(shù)指標（技術(shù)、工藝或產(chǎn)品等的具體性能指標）：提出適合于我國海域的渦激振動疲勞分析模型；基于該模型提出適合于管道抗疲勞設(shè)計 的依據(jù)；根據(jù)理論研究成果，設(shè)計能夠抑制管道出現(xiàn)渦激振動出現(xiàn)的裝置，該裝置應(yīng)該能夠 抑制管道在渦激振動作用下的疲勞損傷；所設(shè)計的裝置的性能指標如下：根據(jù)所要保護的海底管道的內(nèi)外徑尺寸，制作多對大小、彎曲弧度相同的舌狀導流片， 每片導流片從底邊到頂端漸細，底邊開有方波狀切口，外壁上固定有z字型激流絲；每一對 導流片底邊的方波狀切口相配合；在海底管道上按照海底管道外徑1. 5-2. 5倍的間距裝配和固定導流罩，每個導流罩由 兩對導流片經(jīng)過拼接和焊接，形成為

10、中部凸起兩頂端連接的對稱殼體，將海底管道包覆在中 部的位置。3. 效益指標（項目完成時達到的銷售收入、利稅、出口創(chuàng)匯指標或應(yīng)用的具體效果）：本項目預期達到的經(jīng)濟效益為800萬元。本研究的戚果將可以直接應(yīng)用于海洋石油工程設(shè)計，其具體成果主要體現(xiàn)在：可以避免 渦激疲勞導致的管道斷裂事故的發(fā)生；可以將該理論納入到相關(guān)工程規(guī)范中，作為實際工程 設(shè)計中的補充規(guī)定。本項目預期達到的經(jīng)濟效益為800萬元。4. 工作指標（提交樣品樣機數(shù)量、國內(nèi)外發(fā)明專利或版權(quán)數(shù)、發(fā)表論文數(shù)等）：計劃申請國內(nèi)發(fā)明專利一項在國內(nèi)核心刊物上發(fā)表論文4篇1?該部分的研究內(nèi)容，基本上是依靠國外整體引進的方法。本研究實將從目前進行的深海

11、 油氣資源開發(fā)的遇到的技術(shù)難點和迫切需要解決的問題出發(fā)，結(jié)合我們自身研究條件，通過 試驗裝置的研制、試驗方法和數(shù)值仿真的研究，為深海油氣開發(fā)技術(shù)提供重要的試驗研究平 臺和設(shè)計分析工具，使得研究內(nèi)容能夠及時地應(yīng)用于實際的工程設(shè)計中，從而更好地服務(wù)于 我國的深海油氣開發(fā)工程。其它 需要 說明 的情 況（150 字 左右）無資金預算（單位：萬元）資金來源預算金額其中2009 年2010 年2011 年來源合計12050700申請區(qū)科技資金2010100單位自籌10040600銀行貸款()0（）0其它0000資金支出預算金額其中：區(qū) 科技資金計算依據(jù)資金總額12020其中人員費9.845.84博士生0

12、.】8萬元/月，人數(shù)4人，總計 工作12個月碩士生0. 1萬元/月，人數(shù)1人，總計工作12個月設(shè)備費744購買大型服務(wù)器，用于計算疲勞損傷，2 萬元/臺，共購買2臺；計算軟件購置能源材料費4.162.16用于支付項目運行期間內(nèi)的水電費試驗外協(xié)費00租賃費00信息費102文獻收集差旅費22住宿及伙食補貼標準：0. 035萬元/人天 往返飛機票補貼0.2萬元/人，共進行4 次外埠考察會議費11會議費標準：0. 025萬元/人日，共10 人參加，會期4天貸款貼息費00管理費1.81.8其它費用1.21.2國內(nèi)專利1項0.6萬元；國內(nèi)文章版面 費0.15/篇，共計4篇期初運行費160特別說明：項目負責

13、人及其項目組承諾：1 本申請書提供的材料真實可靠，不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議；2項目信息表中所填內(nèi)容與項目實施方案等材料完全一致；3. 我們將嚴格按照塘沽區(qū)科技發(fā)展資金管理辦法認真履行項目合同，采取一切措施 確保項目進度和達到預期目標和技術(shù)經(jīng)濟指標；4. 按照科技資金開支范圍使用政府資助資金；5遇重大變動，一定及時向區(qū)科委報告并履行程序；6其它（請敘述）：項目負責人簽名（親筆）：年 月 日主承擔單位承諾：1優(yōu)先提供本項目實施所必須的工作條件、人力資源和物質(zhì)保障；2. 嚴格按照項目資金預算管理項目資金，確保自籌資金和銀行貸款按時到位；3. 嚴格管理項目組成員，任何情況下均不因人員出國、調(diào)動等原因而影響項

14、目指標 和目標的完成；4. 認真協(xié)調(diào)合作單位關(guān)系，督促項目組及時報送項目進度報告和按期結(jié)項驗收；5申請政府補貼資金額度不能得到完全批準時，差額部分自籌，項目指標不下降；6.同意區(qū)科委在政務(wù)公告和對外宣傳中使用本項目的基本信息；7其它（請敘述）：（單位公章）單位負責人（簽字）：年 月 日第二承擔單位承諾：我們將認真履行合作單位職責，確保 項目按合同完成。負責人（簽字）：（單位公章）年 月 日第三承擔單位承諾：我們將認真履行合作單位職責，確 保項目按合同完成。負責人（簽字）：（單位公章）年 月 日、項目頭施方條提綱1項目實施的目的、意義和必要性（包括項目提出的背景和必要性，國 內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨

15、勢、市場需求分析，本項目在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中的地位與作用，說 明項目產(chǎn)業(yè)化前景以及對相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品及其產(chǎn)業(yè)的帶動作用等）懸跨段表面的旋渦泄放導致隨時間變化的交變應(yīng)力的出現(xiàn)，在交變力的循環(huán)作用 下，懸跨段發(fā)生振動。當旋渦發(fā)放頻率等于或接近懸跨固有頻率時，懸跨出現(xiàn)共振； 而當旋渦發(fā)放頻率遠離懸跨共振頻率區(qū)間時，懸跨出現(xiàn)微幅振動，若長期處于這種狀 態(tài)，懸跨會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，如裂紋、斷裂等。由此可知，疲勞分析對于海底管道的設(shè) 計、施工以及營運至關(guān)重要，因此，需要進行深入研究。2項目實施目標（包括總體目標、可取得的成果和能形成的知識產(chǎn)權(quán)情況）本課題以深海海底管道疲勞為主要研究內(nèi)容，擬通過國內(nèi)外調(diào)研、試驗和數(shù)值模

16、 擬分析對深海海底管道疲勞發(fā)生機理、發(fā)生條件等進行研究，提出深海管道疲勞控制 方法，為深水海底管道抗疲勞設(shè)計、建造和維護提供參考。該部分的研究內(nèi)容，基本上是依靠國外整體引進的方法。本研究實將從目前進行 的深海油氣資源開發(fā)的遇到的技術(shù)難點和迫切需要解決的問題出發(fā)，結(jié)合我們自身研 究條件，通過試驗裝置的研制、試驗方法和數(shù)值仿真的研究，為深海油氣開發(fā)技術(shù)提 供重要的試驗研究平臺和設(shè)計分析工具，使得研究內(nèi)容能夠及時地應(yīng)用于實際的工程 設(shè)計中，從而更好地服務(wù)于我國的深海油氣開發(fā)工程。3主要實施內(nèi)容（必須清晰地敘述項目實施的具體內(nèi)容及其要點）搜集的文獻應(yīng)以近十年的otc、omae、isope為主，應(yīng)能充分

17、反映深水海底管道 懸跨設(shè)計最新研究成果，并對前沿的設(shè)計方法進行總結(jié)； 將dnv-rp-f105dnv-os-f101作為主要規(guī)范，對現(xiàn)有基于規(guī)范的抗疲勞設(shè)計流程 進行總結(jié)；開展深水海底管道在底流和海床土壤共同作用下懸跨形成機理方面的研究；渦激振動疲勞分析方法研究，其中，包括渦激振動發(fā)生機理、疲勞分析理論等方 面的理論研究以及高效數(shù)值求解方法的探討；臨界懸跨長度確定方法研究，分析影響海底管道臨界懸跨長度因素；進行安裝、水壓試驗、操作三種工況下海底管道懸跨渦激疲勞研究；4.項目創(chuàng)新點及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題（包括主要技術(shù)特點、創(chuàng)新點，需要解決的技術(shù)問題等）技術(shù)特點：本研究從基本理論出發(fā)，探詢深水管道

18、的懸跨形成機理以及疲勞損傷的微觀機 理，結(jié)合數(shù)值計算方法，模擬管道的疲勞損傷程度；創(chuàng)新點：在借鑒近幾十年來的相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，基于中國海域環(huán)境特點，提出渦激振 動疲勞分析模型，并應(yīng)用前沿的計算方法定量地分析疲勞損傷；基于該理論研究，結(jié) 合我國工業(yè)加工能力以及配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，項目組將提出切實可行的抑制管 道渦激疲勞的工藝方法，申請相關(guān)領(lǐng)域的專利，實現(xiàn)科技成果在工程實踐領(lǐng)域的創(chuàng)新; 該專利的實際果經(jīng)過實驗論證之后，將會在工程生產(chǎn)中應(yīng)用，實現(xiàn)風險規(guī)避的總體方 針，在國內(nèi)海洋工程施工中，具有一定的前詹性。需要解決的技術(shù)問題：提出較為完善的深水管道的疲勞分析流程；5.項目實施工藝技術(shù)路線（盡可

19、能清楚地敘述研究的具體方法和技術(shù)路 線，包括技術(shù)原理、實驗方法、工藝路線、技術(shù)性能指標以及可行性分析等）72結(jié)合國內(nèi)外進行的實驗研究，歸納出形成管道懸跨的主要原因；識別影響管道疲勞的主要因素；建立懸跨的平衡微分方程（靜態(tài)與動態(tài)）；基于斷裂力學理論分析管道的疲勞損傷并預測剩余壽命6總經(jīng)費預算、資金籌措方式及來源（包括項目總投資概算、新增資金 籌措及來源、資金使用計劃等）人員勞務(wù)費：9.84萬元（區(qū)科技資金5.84萬元）博士生0.18萬元/月，人數(shù)4人，總計工作12個月碩士生0.1萬元/月，人數(shù)1人，總計工作12個月設(shè)備費用：74萬元（區(qū)科技資金4萬元）購買大型服務(wù)器，用于計算疲勞損傷，2萬元/臺

20、，共購買2臺購買ansys abaqus adina等有限元計算軟件能源材料費：4.16萬元（區(qū)科技資金2.16萬元）用于支付項目運行期間內(nèi)的水電費信息費：10 （區(qū)科技資金2萬元）用于文獻傳遞與收集差旅費：2萬元（區(qū)科技資金2萬元）住宿及伙食補貼標準：0.035萬元/人天往返飛機票補貼0.2萬元/人，共進行4次外埠考察會議費：1萬元（區(qū)科技資金1萬元）會議費標準：0.025萬元/人日，共10人參加，會期4天管理費：1.8萬元（區(qū)科技資金1.8萬元）其它費用：1.2萬元（區(qū)科技資金1.2萬元）包括出版發(fā)行費用以及專利維護費，國內(nèi)專利1項0.6萬元；國內(nèi)文章版面 費0.15/篇，共計4篇期初運行

21、費用：10萬元（區(qū)科技資金0萬元）7. 項目進度安排（包括實施年限、每半年的進度安排等）2009年3月至9月國際、國內(nèi)市場調(diào)研、基礎(chǔ)信息采集；2009年9月至12月底:提交搜集到的文獻的調(diào)研報告以及相應(yīng)規(guī)范的總結(jié)報告;2010年06月底：中期檢查，主要考察懸跨形成機理以及疲勞分析方法方面的研 究成果；2010年12月底：結(jié)題審查，考察項目總體研究情況8. 預期的經(jīng)濟、社會效益分析及成果應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化銜接情況（包括 產(chǎn)品成本分析、產(chǎn)品單位售價與盈利預測、項目投資評價、經(jīng)濟效益指標、社會效益 或應(yīng)用效果、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化安排等）該部分的研究內(nèi)容，基本上是依靠國外整體引進的方法。本研究實將從目前進行

22、的深海油氣資源開發(fā)的遇到的技術(shù)難點和迫切需要解決的問題出發(fā)，結(jié)合我們自身研 究條件，通過試驗裝置的研制、試驗方法和數(shù)值仿真的研究，為深海油氣開發(fā)技術(shù)提 供重要的試驗研究平臺和設(shè)計分析工具，使得研究內(nèi)容能夠及時地應(yīng)用于實際的工程 設(shè)計中，從而更好地服務(wù)于我國的深海油氣開發(fā)工程。成本分析：本項目進行過程中無需大型硬件設(shè)備的支持，因而不會耗費大量的資 金；盈利預測：本研究屬于科技成果轉(zhuǎn)化范疇，其研究成果主要以知識產(chǎn)權(quán)形式存在，可 以將該成果運用于工程設(shè)計中，在科學理論指導下進行合理化投資，以降低維護成本 實現(xiàn)盈利；項目投資評價：該研究項目抓住了海洋工程領(lǐng)域的研究重點，采用的方法在國內(nèi) 屬于領(lǐng)先水平；

23、經(jīng)濟效益指標：本項目預期達到的經(jīng)濟效益為800萬元。應(yīng)用效果與成果轉(zhuǎn)化：本研究的成果將可以直接應(yīng)用于海洋石油工程設(shè)計，其具體成 果主要體現(xiàn)在：可以避免渦激疲勞導致的管道斷裂事故的發(fā)生；可以將該理論納入到 相關(guān)工程規(guī)范中，作為實際工程設(shè)計中的補充規(guī)定。9. 項目工作基召出及條件（包括現(xiàn)有技術(shù)和工作基礎(chǔ)、已具備的實施條件、 國內(nèi)外的專利情況、研究隊伍和產(chǎn)學研情況、是否取得前期成果等方面情況）大型儀器設(shè)備有：60m x 40m x 1.5m多功能方向譜波流港池，造波系統(tǒng)采用國際 先進的交流伺服電機控制剛性餃連接蛇形方向譜造波機，能夠有效模擬各種自然波 譜，使港池總體水平居國內(nèi)先進水平；90mx2.0

24、in><2. 0m不規(guī)則波流水槽，在國內(nèi)首 次提供沉入式結(jié)構(gòu)測試條件，可以實現(xiàn)軟土地基一結(jié)構(gòu)一波流三項耦合的實驗效果； 35m xo. 5m xo. 8m波流水槽，可以實現(xiàn)變坡功能；大型結(jié)構(gòu)與土相互作用實驗研究系 統(tǒng)；低溫冰力學與冰工程學實驗研究系統(tǒng)，為國內(nèi)唯一的低溫冰工程實驗室；海洋與 船舶工程實驗水池；循環(huán)單剪儀，可以模擬波浪、地震等動荷載作用下地基土尤其是 海洋軟土的性能變化；靜動三軸儀、水工測試系統(tǒng)、3分量激光多普勒測速儀等。國內(nèi)外的專利主要針對抑制渦振動方面提出了 一些改進措施?，F(xiàn)具有先進的實驗設(shè)施，還配有高性能計算機群及harp、hydrostar. moses、 na

25、stran. patran. dytran. sysnoises 等大型分析軟件。同時，本項目組還可提供與該課題相關(guān)學術(shù)會議場地、設(shè)備等，并為課題相關(guān)的 科技成果查新、專利申請等提供便利條件。近幾年來承接的相關(guān)科研項目：中國海洋石油總公司項目：“深水海底管道懸跨設(shè)計理論和分析方法研究”渤海海洋石油公司項目：“海床變化對管道影響技術(shù)研究10. 承擔單位簡介及合作方式（包括承擔單位的實力、生產(chǎn)經(jīng)營狀況、財 務(wù)狀況以及合作的具體形式等）本項目組整合海洋工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)資源（船舶與海洋工程、港口工程、機械工程、 熱能工程等），成立了海洋工程研究院，可以更好地將相關(guān)資源調(diào)動起來，為課題的 實施創(chuàng)造良好的學術(shù)平臺。本項目組在“985工程”、“211工程”以及國家、地區(qū)建設(shè)項目資助下，投入近 5年實驗室基礎(chǔ)條件建設(shè)經(jīng)費總計約5000萬元。實驗室總面積1 7290m2;實驗設(shè)備總值5200萬元左右。11. 項目負責人及主要成員簡介