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天津大学深水结构实验室建设纪实

近日,中国工程院院士、天津大学校长金东寒来到十大赌博官方网站官网深水结构实验室调研,深入了解全尺寸深水立管地震、疲劳试验平台,深海立管触地段安全实验室,全尺寸深水压力舱复合加载试验平台,深海立管三维动态干式模拟实验室等重大科学实验装备,与团队师生亲切交流,对实验室建设成果给予充分肯定。

国家973计划首席科学家、国家教学名师、国务院学科评议组成员、天津大学船舶与海洋工程研究院院长余建星教授团队自2010年起就创建了国内第一个全尺寸深水管道实验室,他们多年来始终聚焦国家战略需求,发扬自力更生,追求卓越,精打细算,勤俭节约,勇于创新的精神,研发了4个装备,1个软件,1项核心技术,成功打破了欧美对我国深海工程试验技术的封锁,解决了国家重大工程(深海一号)等6项卡脖子问题,是深海一号工程的最大亮点。

深水结构实验室在校院指导支持下,取得了丰硕的成果。

一、  全尺寸深水立管地震、疲劳试验平台

该试验平台全长26.5米,由反力架、电气操作平台、轴力推拉加载系统、弯矩加载系统、内压加载系统、管端自锁密封系统、液压加载系统、泵站及远端智能控制系统等组成,可模拟深海全尺寸立管在全生命周期的受力情况,如半潜式平台和深海矿产资源开发的母船和立管的相互作用;设施在经历亿次以上反复的波峰波谷运动时的影响;可模拟遭遇二百年一遇的地震、台风作用下所有的动荷载和静荷载等,而且还能对其平时所受到高应力、中应力和低应力进行全尺寸多功能的模拟。

后续装置改造升级后,可用于母船与立管相互作用,检测软管、脐带缆、锚链等结构的疲劳强度及其安全可靠性,这也是深海矿产开发的关键核心实验装备。

与国外同类平台相比较,该平台可试验立管长度最长,适应管径种类最多,管道尺寸、各种加载载荷形式、各种载荷(包括轴力、弯曲疲劳、内压、扭矩)最大加载指标都可重现南海和国际任何海域复杂的环境,试验平台无论是尺寸、功能还是性能,目前都是世界最好的,可以确保我们海洋核心装备设计的安全可靠,而且具有很高的科研价值。

已为深海一号项目用管进行了高、中、低应力下的多组疲劳试验,通过了中国船级社认证,验证了国产深水立管疲劳寿命能够满足南海陵水海域各种工况下的使用要求。

二、  深海立管触地段安全实验室

平台主体包括钢结构外护设施、泵站室、长20.0m宽3.0m深2.0m的钢筋混凝土试验槽、2台10t级天车、加载装置、搅拌装置、自动报警及运动监测系统等。试验槽内装有性状与我国南海海域性质相近的试验粘土,可对全尺寸6英寸试验立管施加最大40kN·m的弯矩荷载,还原深海立管使用过程中真实弯矩荷载水平;加载端可施加竖向、水平向与双向耦合的循环位移加载,加载频率0.05-0.5Hz,位移加载幅值可达到0.4m,重现立管生命周期内最不利工况,保证立管系统安全可靠。

深海立管触地段安全实验室可重现全尺寸立管在全生命周期的运动过程与受力情况。实验室在尺度、加载功能、试验可靠性等方面均显著突出,达到世界一流水平,解决了卡脖子问题,具有不可替代性,可以确保我们海洋核心装备设计的安全可靠,而且具有很高的科研价值。深海立管触地段安全实验室得到了中国船级社、中国海油各位专家的一致认可,以及中国造船学会、中国造船工程咨询协会权威专家的高度评价。目前,实验室已顺利通过中国船级社技术认证与中国海油验收,已为深海一号完成试验,后续将开展更多试验,为我国不断向深海进军,提供更有力的技术支撑。

三、  全尺寸深海压力舱复合加载试验平台

实验室原有压力舱只能做静水压加载试验,对其进行升级改造,增加了轴力扭力加载系统、循环弯矩加载系统、内压加载系统、侧向振动加载系统、舱盖开闭智能系统、智能阀门密封系统、深海摄像系统及远端智能控制系统。试验舱的内径为1.6m,长度11.5m,可模拟12000m水深,可施加6000kN轴向作用力,200kN·m的扭转作用力,600kN·m的弯矩,能够实现水压、轴向力、扭矩、弯矩、碰撞、地震、内波等复杂深水载荷联合加载,可施加包括三角形、梯形侧向载荷,具备在世界任何海域完成全尺寸深海采矿研究、设计试验的能力。该试验装置是世界上尺寸最大、功能最全、试验能力最强的全尺寸深水海底结构专用仿真试验装置。平台的建成,使得我国可以第一时间对海洋工程项目进行试验,保证质量和工期,已为深海一号完成试验。

四、  深海立管三维动态干式模拟实验室

试验室长15 米,宽10米,高10米,在试验室中部设置1套放置运动模拟器的绗架框架,框架设置可调节高度的上下移动绗架平台。运动模拟器安装在上下移动绗架平台的中间位置,试验时运动模拟器在电脑控制下模拟海工平台运动,四周设置工作船轨道和悬挂模拟管线,上下移动绗架平台最高达8米,地面铺设海图,框架水平中心位置及为海图中海工平台的中心位置。该实验室在Tchnip公司研制的静态模型基础上增加了很多新功能,就模拟性能而言,增加了动态模拟的功能以及配套的结果捕捉工具,同时模拟深度也有所提升,最高可模拟10000m的深水海况。其可在大型海洋平台、水下系统和管线安装、定位和生产工况作全方位即时模拟,因而对突发性的灾害进行预测和报警,为油田开发作业过程中的安全运行提供保障。

平台为深海一号项目进行了管线间的物理干涉模拟试验,模拟了深海环境下立管的运动情况,从而验证了管线预设间距的合理性,填补了国内深海管线模拟技术的空白。

五、深水立管压溃和屈曲分析软件

为了验证试验结果的准确性,团队自主开发的有限元软件,具有深水立管外压压溃和屈曲分析功能,计算准确性不低于商业软件的91%,软件计算结果与试验偏差不超过4.8%,并通过了第三方认证。软件核心优选向量式有限元方法,具有处理多非线性问题的优势,适用于求解大变形、大变位问题。完成了算法设计及向量式有限元核心代码的开发和调试;优化了程序效率,采用并行技术,计算时间节省92%。

团队在深海油气软件技术的卡脖子问题上实现了突破,一举打破了西方国家的技术垄断,研发了具有独立知识产权的深水立管压溃及屈曲分析软件,可实现(超)厚壁立管安全分析,通过了教育部国内外科技查新,软件各项功能世界一流。该软件已服务于深海一号项目,对我国南海油气资源开发及深海油气软件核心技术的掌握具有里程碑式意义。

六、通过试验验证,实现国产钢管取代进口钢管

依托本实验室,成功完成了全尺寸深水油气输送管道屈曲压溃、屈曲传播、止屈试验共103组,缩比尺等实验400多组。使我国深水管道的试验不需受制于国外技术,能够为国内企业节省大量的试验成本,缩短了工期,带来直接经济效益。

基于理论研究及大量的试验数据,建立了材料强度分布模型,通过控制变异系数,验证了国产钢管质量与进口钢管几乎一致,屈服强度服从正态分布,满足深海使用要求,实验验证帮助天津钢管公司等我国几家企业海洋工程用钢管通过国家及国际规范标准,成功应用于深海一号项目,价格百分之五十以下,供货及时,为我国深海油气开发提供技术和试验支持。

今年4月10日,习近平总书记连线 “深海一号”团队,并指示:“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务。要推动海洋科技实现高水平自立自强,加强原创性、引领性科技攻关,把装备制造牢牢抓在自己手里,努力用我们自己的装备开发油气资源,提高能源自给率,保障国家能源安全。”天津大学团队作为研发的重要参与者之一,受到极大鼓舞,将继续发挥高校资源与优势,在人才培养、科研创新等方面再出成果,坚决贯彻落实总书记指示精神,为海洋强国服务,为国家和民族振兴贡献力量!

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