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防弯器是海洋石油开发过程中不可缺少的重要装备之一,其主要安装在柔性管缆与浮体连接处,防止柔性管缆在各类海洋工况中发生过度弯曲破坏。聚氨酯弹性体具有高耐磨、高弹性、高强度、耐水解等优异的综合性能,是制造柔性管缆防弯器的理想材料。柔性管缆防弯器结构通常采取三段式的锥形形态,实现弯曲刚度的平滑过渡,而聚氨酯梯度材料是一种性能可沿着某一特定方向呈梯度变化的材料,弹性模量渐变的聚氨酯梯度材料也可以实现弯曲刚度的过渡,因此本文研究目标是制备一种弹性模量渐变的聚氨酯梯度材料,并将其应用到柔性管缆防弯器上。首先,采用半预聚体法,制备浇注型聚氨酯弹性体,研究硬段含量对其性能的影响,通过红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、拉伸测试、硬度测试、粘度测试和热重分析法(TG)对其结构与性能进行表征。结果表明,实验成功制备了聚氨酯弹性体,产生明显的微相分离结构;随着硬段含量的增加,反应原液粘度上升,釜中寿命降低,材料热稳定性提高;硬段含量从22.0%增加到45.0%,拉伸强度和断裂伸长率先增加后减小,邵氏硬度由60A逐渐增加至93A,拉伸模量由12MPa逐渐提高至106MPa。其次,采用逐层浇注法制备了厘米级长度的聚氨酯梯度材料,通过红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、硬度测试、吸光度测试和拉伸测试对其结构与性能进行表征。红外光谱结果表明,沿着材料梯度方向,氨基和羰基的特征伸缩振动峰的位置和形状有明显的变化,证明了梯度方向上材料结构渐变;在扫描电镜中也得出相同结论,沿着材料梯度方向,硬段区域尺寸变小,分布更加均匀;相关性能研究表明,硬度和吸光度沿着材料梯度方向逐渐降低;沿聚氨酯梯度材料梯度方向拉伸测试发现,材料内部应变沿梯度方向呈逐渐增加趋势,证明成功制备了弹性模量渐变的聚氨酯梯度材料。最后,基于聚氨酯梯度材料的特性,提出了一种圆筒型的新概念柔性管缆防弯器构型。根据具体应用实例,开展基于聚氨酯梯度材料防弯器的材料设计,尺寸设计和连接设计,并利用有限元软件分析设计结果。有限元计算结果表明,聚氨酯梯度材料防弯器保护段管缆曲率小于管缆设计的最大曲率,曲率分布均勾,起到了保护柔性管缆的作用。基于聚氨酯梯度材料设计的圆筒型防弯器形状简单,可通过材料设计满足不同工况的设计要求,提高了模具利用率;同时聚氨酯梯度材料防弯器体积小,提高了使用安全性和制造经济性。