海底管道悬跨疲劳控制方法研究.doc

受理编号： 天津市塘沽区科技发展资金项目申 请 书项目名称：海底管道悬跨疲劳控制方法研究万元万元，其中：申请区科技资金：项目类别：科技成果转化专项经费总额：120 20项目负责人: 余建星、孙桢传真:主承担单位： 天津天大滨海船舶与海洋工程研究院联系人电话: 022-25216062022-25210718电子邮箱:通讯地址： 天津塘沽新北路4668号邮政编码：300451申请日期： 2009.08.21天津市塘沽区科学技术委员会二八年制2填 写 说 明1. 本申请书及其附件是项目评审、评估、论证的唯一依据。项目申请单位和申请人必须实事求是填写本申请书，确保项目信息表与资金预算、实施方案中的内容和数据完全一致，并提供真实而必要的证明材料。一旦发现申报材料中有弄虚作假行为，将取消其立项资格。2. 本申请书适用于塘沽区科技发展资金项目，申请人必须按照“年度项目指南”填写所属项目的具体名称。3. 项目申报材料包括：（1）天津市塘沽区科技发展资金项目申请书统一用A4纸打印和复印，左侧装订成册。请不要另行制作封面，不采用胶圈、文件夹等带有突出棱边的装订方式。内容包括：a. 项目信息表（表中的各栏目不得空缺，无相关内容时填“无”，不得超过规定字数，不得改动表格的格式和内容，数字一律取整数，单位名称要写全称）；b. 项目实施方案；c. 附件（发明专利证书、小试成果报告、科技查新报告、样品检测报告以及其它能说明项目技术水平和来源、知识产权归属等的证明材料，承担单位间的合作协议等）。（2）申请书电子文档一份，以“项目名称”为文件名，包括除附件外的全部申报材料。4. 项目申请者必须从区科委网站（）或天津滨海生产力促进中心网站（）下载“塘沽区科技发展资金项目申请书”，严格按照表格格式和要求填写和打印，不得自行改变版式、取消和增加条目。一、项目信息表项目基本信息项 目 名 称海底管道悬跨疲劳控制方法研究项目类别科技成果转化专项现处阶段研发阶段起止时间2009.032010.12项目主要优势经济效益显著技术领域海洋工程应用产业领域海洋石油工程技术来源自主研发前期资助情况无项目负责人及项目组情况项目负责人姓名余建星性别男年龄51职务副院长职称教授学位博士专业船舶与海洋工程毕业院校上海交通大学身份证话27891968传真27401796手子邮箱Y其他主要成员姓名性别年龄所在单位身份证号学位职称吴海欣女51天津天大滨海船舶与海洋工程研究院120104580102604学士副教授傅明炀男26天津天大滨海船舶与海洋工程研究士无晋文超男25天津天大滨海船舶与海洋工程研究士无卞雪航男25天津天大滨海船舶与海洋工程研究院12022198410270035博士无周清基男23天津天大滨海船舶与海洋工程研究士无余杨男21天津天大滨海船舶与海洋工程研究士无总人数留学回国人数其中（按职称）培养人才正高级副高级中级初级其它博士生硕士生本科生主承担单位法定代表人孙桢注册地址天津塘沽区新北路4668号注册资金总资产资产负债率上年营业收入上年缴税上年净利润100010314930000内设研发机构名称0研发支出占营业收入比重30%其他承担单位情况单位名称主要承担开发（研究）任务第二承担单位无无第三承担单位无无项目简介立项目的与必要性(250字左右)悬跨段表面的旋涡泄放导致随时间变化的交变应力的出现，在交变力的循环作用下，悬跨段发生振动。当旋涡发放频率等于或接近悬跨固有频率时，悬跨出现共振；而当旋涡发放频率远离悬跨共振频率区间时，悬跨出现微幅振动，若长期处于这种状态，悬跨会出现疲劳现象，如裂纹、断裂等。由此可知，疲劳分析对于海底管道的设计、施工以及营运至关重要，因此，需要进行深入研究。工作基础及已具备条件(200字左右)大型仪器设备有：多功能方向谱波流港池，造波系统采用国际先进的交流伺服电机控制刚性铰连接蛇形方向谱造波机，能够有效模拟各种自然波谱，使港池总体水平居国内先进水平；不规则波流水槽，在国内首次提供沉入式结构测试条件，可以实现软土地基结构波流三项耦合的实验效果；波流水槽，可以实现变坡功能；大型结构与土相互作用实验研究系统；低温冰力学与冰工程学实验研究系统，为国内唯一的低温冰工程实验室；海洋与船舶工程实验水池；循环单剪仪，可以模拟波浪、地震等动荷载作用下地基土尤其是海洋软土的性能变化；静动三轴仪、水工测试系统、3分量激光多普勒测速仪等。总体目标(200字左右)本课题以深海海底管道疲劳为主要研究内容，拟通过国内外调研、试验和数值模拟分析对深海海底管道疲劳发生机理、发生条件等进行研究，提出深海管道疲劳控制方法，为深水海底管道抗疲劳设计、建造和维护提供参考。主要实施内容(250字左右)搜集的文献应以近十年的OTC、OMAE、ISOPE为主，应能充分反映深水海底管道悬跨设计最新研究成果，并对前沿的设计方法进行总结；将DnV-RP-F105DNV-OS-F101作为主要规范，对现有基于规范的抗疲劳设计流程进行总结；开展深水海底管道在底流和海床土壤共同作用下悬跨形成机理方面的研究；涡激振动疲劳分析方法研究，其中，包括涡激振动发生机理、疲劳分析理论等方面的理论研究以及高效数值求解方法的探讨；临界悬跨长度确定方法研究,分析影响海底管道临界悬跨长度因素；进行安装、水压试验、操作三种工况下海底管道悬跨涡激疲劳研究；主要创新点(200字左右)在借鉴近几十年来的相关领域的研究成果，基于中国海域环境特点，提出涡激振动疲劳分析模型，并应用前沿的计算方法定量地分析疲劳损伤。基于该理论研究，结合我国工业加工能力以及配套的基础设施建设水平，项目组将提出切实可行的抑制管道涡激疲劳的工艺方法，申请相关领域的专利，实现科技成果在工程实践领域的创新；该专利的实际果经过实验论证之后，将会在工程生产中应用，实现风险规避的总体方针，在国内海洋工程施工中，具有一定的前詹性。工作进度安排(200字左右)2009年3月至9月：国际、国内市场调研、基础信息采集；2009年9月底：提交搜集到的文献的调研报告以及相应规范的总结报告；2010年3月底：中期检查，主要考察悬跨形成机理以及疲劳分析方法方面的研究成果；2010年12月底：结题审查，考察项目总体研究情况；主要考核指标（400字左右）1可获得的成果（项目完成时可达到的阶段，具体技术成果等）：深水海底管道悬跨疲劳研究进展调研报告；深水海底管道悬跨疲劳方法分析方法研究报告；2技术指标（技术、工艺或产品等的具体性能指标）：提出适合于我国海域的涡激振动疲劳分析模型；基于该模型提出适合于管道抗疲劳设计的依据；根据理论研究成果，设计能够抑制管道出现涡激振动出现的装置，该装置应该能够抑制管道在涡激振动作用下的疲劳损伤；所设计的装置的性能指标如下：根据所要保护的海底管道的内外径尺寸，制作多对大小、弯曲弧度相同的舌状导流片，每片导流片从底边到顶端渐细，底边开有方波状切口，外壁上固定有Z字型激流丝；每一对导流片底边的方波状切口相配合；在海底管道上按照海底管道外径1.52.5倍的间距装配和固定导流罩，每个导流罩由两对导流片经过拼接和焊接，形成为中部凸起两顶端连接的对称壳体，将海底管道包覆在中部的位置。3效益指标（项目完成时达到的销售收入、利税、出口创汇指标或应用的具体效果）：本项目预期达到的经济效益为800 万元。本研究的成果将可以直接应用于海洋石油工程设计，其具体成果主要体现在：可以避免涡激疲劳导致的管道断裂事故的发生；可以将该理论纳入到相关工程规范中，作为实际工程 设计中的补充规定。本项目预期达到的经济效益为800 万元。4工作指标（提交样品样机数量、国内外发明专利或版权数、发表论文数等）：计划申请国内发明专利一项在国内核心刊物上发表论文4篇成果应用后可取得的成效展望(200字左右)该部分的研究内容，基本上是依靠国外整体引进的方法。本研究实将从目前进行的深海油气资源开发的遇到的技术难点和迫切需要解决的问题出发，结合我们自身研究条件，通过试验装置的研制、试验方法和数值仿真的研究，为深海油气开发技术提供重要的试验研究平台和设计分析工具，使得研究内容能够及时地应用于实际的工程设计中，从而更好地服务于我国的深海油气开发工程。其它需要说明的情况(150字左右)无 资 金 预 算 （单位：万元）资金来源预算金额其 中2009年2010年2011年来源合计12050700申请区科技资金2010100单位自筹10040600银行贷款0000其 它0000资金支出预算金额其中：区科技资金计算依据资金总额12020其中人员费9.845.84博士生0.18万元/月，人数4人，总计工作12个月硕士生0.1万元/月，人数1人，总计工作12个月设备费744购买大型服务器，用于计算疲劳损伤，2万元/台，共购买2台；计算软件购置能源材料费4.162.16用于支付项目运行期间内的水电费试验外协费00租赁费00信息费102文献收集差旅费22住宿及伙食补贴标准：0.035万元/人天往返飞机票补贴0.2万元/人，共进行4次外埠考察会议费11会议费标准：0.025万元/人日，共10人参加，会期4天贷款贴息费00管理费1.81.8其它费用1.21.2国内专利1项0.6万元；国内文章版面费0.15/篇，共计4篇期初运行费160特别说明：项目负责人及其项目组承诺：1.本申请书提供的材料真实可靠，不存在知识产权争议；2.项目信息表中所填内容与项目实施方案等材料完全一致；3.我们将严格按照塘沽区科技发展资金管理办法认真履行项目合同，采取一切措施确保项目进度和达到预期目标和技术经济指标；4.按照科技资金开支范围使用政府资助资金；5.遇重大变动，一定及时向区科委报告并履行程序;6.其它（请叙述）：项目负责人签名（亲笔）： 年 月 日主承担单位承诺：1.优先提供本项目实施所必须的工作条件、人力资源和物质保障；2.严格按照项目资金预算管理项目资金，确保自筹资金和银行贷款按时到位；3.严格管理项目组成员，任何情况下均不因人员出国、调动等原因而影响项目指标和目标的完成；4.认真协调合作单位关系，督促项目组及时报送项目进度报告和按期结项验收；5.申请政府补贴资金额度不能得到完全批准时，差额部分自筹，项目指标不下降；6.同意区科委在政务公告和对外宣传中使用本项目的基本信息；7.其它（请叙述）： （单位公章） 单位负责人（签字）： 年 月 日第二承担单位承诺：我们将认真履行合作单位职责，确保项目按合同完成。负责人（签字）： （单位公章） 年 月 日第三承担单位承诺：我们将认真履行合作单位职责，确保项目按合同完成。负责人（签字）： （单位公章） 年 月 日二、项目实施方案提 纲1项目实施的目的、意义和必要性（包括项目提出的背景和必要性，国内外现状和技术发展趋势、市场需求分析，本项目在产业链发展中的地位与作用，说明项目产业化前景以及对相关技术与产品及其产业的带动作用等）悬跨段表面的旋涡泄放导致随时间变化的交变应力的出现，在交变力的循环作用下，悬跨段发生振动。当旋涡发放频率等于或接近悬跨固有频率时，悬跨出现共振；而当旋涡发放频率远离悬跨共振频率区间时，悬跨出现微幅振动，若长期处于这种状态，悬跨会出现疲劳现象，如裂纹、断裂等。由此可知，疲劳分析对于海底管道的设计、施工以及营运至关重要，因此，需要进行深入研究。2项目实施目标（包括总体目标、可取得的成果和能形成的知识产权情况）本课题以深海海底管道疲劳为主要研究内容，拟通过国内外调研、试验和数值模拟分析对深海海底管道疲劳发生机理、发生条件等进行研究，提出深海管道疲劳控制方法，为深水海底管道抗疲劳设计、建造和维护提供参考。该部分的研究内容，基本上是依靠国外整体引进的方法。本研究实将从目前进行的深海油气资源开发的遇到的技术难点和迫切需要解决的问题出发，结合我们自身研究条件，通过试验装置的研制、试验方法和数值仿真的研究，为深海油气开发技术提供重要的试验研究平台和设计分析工具，使得研究内容能够及时地应用于实际的工程设计中，从而更好地服务于我国的深海油气开发工程。3主要实施内容（必须清晰地叙述项目实施的具体内容及其要点） 搜集的文献应以近十年的OTC、OMAE、ISOPE为主，应能充分反映深水海底管道悬跨设计最新研究成果，并对前沿的设计方法进行总结； 将DnV-RP-F105DNV-OS-F101作为主要规范，对现有基于规范的抗疲劳设计流程进行总结； 开展深水海底管道在底流和海床土壤共同作用下悬跨形成机理方面的研究； 涡激振动疲劳分析方法研究，其中，包括涡激振动发生机理、疲劳分析理论等方面的理论研究以及高效数值求解方法的探讨； 临界悬跨长度确定方法研究,分析影响海底管道临界悬跨长度因素； 进行安装、水压试验、操作三种工况下海底管道悬跨涡激疲劳研究；4项目创新点及拟解决的关键技术问题（包括主要技术特点、创新点，需要解决的技术问题等）技术特点：本研究从基本理论出发，探询深水管道的悬跨形成机理以及疲劳损伤的微观机理，结合数值计算方法，模拟管道的疲劳损伤程度；创新点：在借鉴近几十年来的相关领域的研究成果，基于中国海域环境特点，提出涡激振动疲劳分析模型，并应用前沿的计算方法定量地分析疲劳损伤；基于该理论研究，结合我国工业加工能力以及配套的基础设施建设水平，项目组将提出切实可行的抑制管道涡激疲劳的工艺方法，申请相关领域的专利，实现科技成果在工程实践领域的创新；该专利的实际果经过实验论证之后，将会在工程生产中应用，实现风险规避的总体方针，在国内海洋工程施工中，具有一定的前詹性。需要解决的技术问题：提出较为完善的深水管道的疲劳分析流程；5. 项目实施工艺技术路线（尽可能清楚地叙述研究的具体方法和技术路线，包括技术原理、实验方法、工艺路线、技术性能指标以及可行性分析等）结合国内外进行的实验研究，归纳出形成管道悬跨的主要原因；识别影响管道疲劳的主要因素；建立悬跨的平衡微分方程（静态与动态）；基于断裂力学理论分析管道的疲劳损伤并预测剩余寿命6总经费预算、资金筹措方式及来源（包括项目总投资概算、新增资金筹措及来源、资金使用计划等）人员劳务费：9.84万元（区科技资金5.84万元）博士生0.18万元/月，人数4人，总计工作12个月硕士生0.1万元/月，人数1人，总计工作12个月设备费用：74万元（区科技资金4万元）购买大型服务器，用于计算疲劳损伤，2万元/台，共购买2台购买Ansys Abaqus Adina等有限元计算软件能源材料费：4.16万元（区科技资金2.16万元）用于支付项目运行期间内的水电费信息费：10（区科技资金2万元） 用于文献传递与收集差旅费：2万元（区科技资金2万元）住宿及伙食补贴标准：0.035万元/人天往返飞机票补贴0.2万元/人，共进行4次外埠考察会议费：1万元（区科技资金1万元）会议费标准：0.025万元/人日，共10人参加，会期4天管理费：1.8万元（区科技资金1.8万元）其它费用：1.2万元（区科技资金1.2万元）包括出版发行费用以及专利维护费，国内专利1项0.6万元；国内文章版面费0.15/篇，共计4篇期初运行费用：10万元（区科技资金0万元）7项目进度安排（包括实施年限、每半年的进度安排等）2009年3月至9月国际、国内市场调研、基础信息采集；2009年9月至12月底：提交搜集到的文献的调研报告以及相应规范的总结报告；2010年06月底：中期检查，主要考察悬跨形成机理以及疲劳分析方法方面的研究成果；2010年12月底：结题审查，考察项目总体研究情况8预期的经济、社会效益分析及成果应用、产业化衔接情况（包括产品成本分析、产品单位售价与盈利预测、项目投资评价、经济效益指标、社会效益或应用效果、成果转化和产业化安排等）该部分的研究内容，基本上是依靠国外整体引进的方法。本研究实将从目前进行的深海油气资源开发的遇到的技术难点和迫切需要解决的问题出发，结合我们自身研究条件，通过试验装置的研制、试验方法和数值仿真的研究，为深海油气开发技术提供重要的试验研究平台和设计分析工具，使得研究内容能够及时地应用于实际的工程设计中，从而更好地服务于我国的深海油气开发工程。成本分析：本项目进行过程中无需大型硬件设备的支持，因而不会耗费大量的资金；盈利预测：本研究属于科技成果转化范畴，其研究成果主要以知识产权形式存在，可以将该成果运用于工程设计中，在科学理论指导下进行合理化投资，以降低维护成本实现盈利；项目投资评价：该研究项目抓住了海洋工程领域的研究重点，采用的方法在国内属于领先水平；经济效益指标：本项目预期达到的经济效益为800 万元。应用效果与成果转化：本研究的成果将可以直接应用于海洋石油工程设计，其具体成果主要体现在：可以避免涡激疲劳导致的管道断裂事故的发生；可以将该理论纳入到相关工程规范中，作为实际工程 设计中的补充规定。9项目工作基础及条件（包括现有技术和工作基础、已具备的实施条件、国内外的专利情况、研究队伍和产学研情况、是否取得前期成果等方面情况）大型仪器设备有：60m40m1.5m多功能方向谱波流港池，造波系统采用国际先进的交流伺服电机控制刚性铰连接蛇形方向谱造波机，能够有效模拟各种自然波谱，使港池总体水平居国内先进水平；90m2.0m2.0m不规则波流水槽，在国内首次提供沉入式结构测试条件，可以实现软土地基结构波流三项耦合的实验效果；35m0.5m0.8m波流水槽，可以实现变坡功能；大型结构与土相互作用实验研究系统；低温冰力学与冰工程学实验研究系统，为国内唯一的低温冰工程实验室；海洋与船舶工程实验水池；循环单剪仪，可以模拟波浪、地震等动荷载作用下地基土尤其是海洋软土的性能变化；静动三轴仪、水工测试系统、3分量激光多普勒测速仪等。国内外的专利主要针对抑制涡振动方面提出了一些改进措施。现具有先进的实验设施，还配有高性能计算机群及HARP、HYDROSTAR、MOSES、NASTRAN、PATRAN、DYTRAN、SYSNOISES等大型分析软件。同时，本项目组还可提供与该课题相关学术会议场地、设备等，并为课题相关的科技成果查新、专利申请等提供便利条件。近几年来承接的相关科研项目：中国海洋石油总公司项目：“深水海底管道悬跨设计理论和分析方法研究”渤海海洋石油公司项目：“海床变化对管道影响技术研究10承担单位简介及合作方式（包括承担单位的实力、生产经营状况、财务状况以及合作的具体形式等）本项目组整合海洋工程领域学术资源（船舶与海洋工程、港口工程、机械工程、热能工程等），成立了海洋工程研究院，可以更好地将相关资源调动起来，为课题的实施创造良好的学术平台。本项目组在“985工程”、“211工程”以及国家、地区建设项目资助下，投入近5年实验室基础条件建设经费总计