深水钻井隔水管的准静态非线性分析.pdf

收稿日期 2007 - 10 - 08 基金项目国家高技术研究发展863计划课题2006AA09A1060 - 4 作者简介畅元江1974 - ,男汉族 , 河南洛阳人,博士研究生,主要研究方向为深水钻井技术与装备、 计算机辅助工程与仿真技术等。 文章编号 1673250052008 0320114205 深水钻井隔水管的准静态非线性分析 畅元江 1 ,陈国明 1 ,孙友义 1 ,许亮斌 2 1. 中国石油大学 机电工程学院,山东 东营257061; 2.中海油研究中心,北京100027 摘要对深水钻井隔水管进行准静态分析时,需搜索波浪的最大相位角以寻找最大波流合力,提出了搜索波浪最大相位 角的最大Mises应力准则。开发了隔水管准静态分析系统,系统以C Builder为开发环境,后台调用ABAQUS进行 计算,调用面向对象Python程序访问数据库,提取计算结果,实现了波浪最大相位角的自动搜索和深水钻井隔水管的 准静态非线性分析。应用实例验证了该分析系统的有效性。结果表明,波浪相位角为180 时隔水管准静态响应最大, 其次为波浪相位角90,270,0,隔水管静态响应介于波浪相位角为90与270的准静态响应之间。 关键词深水钻井隔水管;波流联合作用;准静态分析 中图分类号 TE 873 文献标识码A Quasi2static nonlinear analysis of deepwater drilling risers CHANG Yuan2jiang 1 , CHEN Guo2ming 1 , SUN You2yi 1 , XU Liang2bin 2 1. College of M echanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum, Dongying257061, Shandong Province, China; 2. China Offshore O il Research Center, Beijing100027, China Abstract In order to find out the maximal combined wave2current loadswhen quasi2static analysis of the deepwater drilling riserwas perfor med, themaxi malMises stress criterion for search of themaximalwave phase anglewasproposed. Quasi2stat2 ic analysis system for deepwater drilling riser was developed.Employing C Builder, the calculation was carried out by ABAQUS in the background, and object2oriented Python program was invoked to visitODB file to extract calculation results . Then the automatic search of the maxi malwave phase angle aswell as the quasi2static nonlinear analysis of the drilling riser was implemented. An example, which illustrates the validity of the analysis system, was presented. The result indicates that the quasi2static response with wave phase angle of 180is the maximal, followed by 90, 270and 0, while the static re2 sponse is between the quasi2static response with wave phase angle of 90and 270. Key words deepwater drilling risers; combined wave2current loads; quasi2static analysis 钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要部 件,其主要功能是提供井口防喷器与钻井船之间钻 井液往返的通道,支持辅助管线,引导钻具,作为下 放与撤回井口防喷器组的载体等。钻井隔水管是海 洋钻井非常重要的装备,如果失效就会产生灾难性 后果。隔水管需进行整体性能分析,静态分析通常 是整体隔水管分析的第一步 [1 ]。国外研究钻井隔 水管静态性能的文献较多,如B. G . Burke最早建立 了隔水管静态分析的数学模型 [2 ] , Fischer和Ludwig 在隔水管分析的基础上定义了浮式钻井隔水管静态 分析最重要的本质 [3 ] ,Lju˝tina认为海流载荷和钻井 船偏移为隔水管静力分析的载荷与位移边界条 件 [4 ]等。但是隔水管静态分析由于没有考虑波浪 载荷对隔水管的作用而造成较大的计算误差。在进 行波流联合作用下的隔水管准静态分析时,需忽略 波浪的动力效应,按准静态方法处理波浪载荷的作 用。于是进行波流联合作用下的隔水管准静态分析 时,需将波浪相位角在0 ～360 进行搜索,最后以 波浪最大相位角作为输入参数进行隔水管准静态分 析。J. J. Azar进行隔水管分析时,隔水管承受的横 2008年 第32卷 中国石油大学学报自然科学版 Vol . 32 No. 3 第3期 Journal of China University of Petroleum Jun. 2008 向海洋环境载荷为波流联合作用下的瞬时载荷 [5 ]。 Lawrence进行隔水管分析时除考虑稳态海流载荷和 钻井船偏移边界条件外,波浪力也被模拟为作用于 隔水管的载荷 [6 ]。本文中提出搜索波浪最大相位 角的最大Mises应力准则,开发隔水管准静态性能 分析系统,实现波浪最大相位角的自动搜索和深水 钻井隔水管的准静态非线性分析,并比较隔水管静 态分析与准静态分析的主要差别。 1 理论模型与力学分析 顶部张紧钻井隔水管的数学模型图 1 是对位 于垂直平面内的梁在横向载荷作用下变形进行分析 的常微分方程 [1 ]。 图1 顶部张紧钻井隔水管分析示意图 梁弯曲变形的四阶常微分方程为 d 2 dz 2 EIz d 2 y dz 2 pz d 2 y dz 2 W z dy dz f z. 式中, EI为隔水管的抗弯刚度; p为轴向力当p0 时, p为张力 ;W 为隔水管单位长度的重力; f为沿 水平方向作用于隔水管单位长度上的波流联合作用 力。 根据Morison方程,计算作用在隔水管的静态 环境载荷为 fz 0.5CDρDu 2. 3 式中, CD为拖曳力系数;ρ为海水密度; D为隔水管 直径; u为海流流速。 对隔水管进行准静态分析时,横向环境载荷计 算式为 f z 0.5CDρDucuw u cuwπ 4 CMρu′ wD 2. 式中, CM为惯性力系数; uc为海流引起的水质点速 度; uw为波浪引起的水质点速度; u′ w为水质点加速 度。 隔水管受力分析表明,作为典型的薄壁构件,隔 水管环向应力沿壁厚均匀分布,忽略径向应力和其 他横向剪应力,隔水管主单元体处于二向应力状态, 两个主应力分别是复合应力轴向应力弯曲应 力和环向应力周向应力 , 在此基础上可按照有 关强度理论进行强度校核。 2 隔水管准静态性能分析系统 211 ABAQUS及其波浪相位角定义 ABAQUS软件是进行隔水管非线性有限元分析 的有效工具,ABAQUS/AQUA模块支持对海洋结构 物进行静态、 模态和动态分析。该软件提供了能够 模拟隔水管的PIPE单元,该单元基于梁理论,允许 施加自重、 托曳力、 惯性力和内外静液压力等环境载 荷,软件还提供了能够模拟隔水管底部球铰的Con2 nector单元,由用户设置单元的特性为球铰。 在ABAQUS软件中,关于波浪相位的定义为 在t0时刻,波浪相位角为0 且处于波谷位置,如 图2所示。采用ABAQUS软件计算波浪作用下结 构物的静态响应时,需要搜索波浪的最大相位角,以 获得在最大准静态波流联合作用力作用下结构物发 生的最大响应。 图2 ABAQUS软件关于波浪相位角的定义 依据文献[7 ],隔水管承受的最大Mises应力和 底部球铰的最大转角为其响应的控制指标,故此二 者都可以作为波浪最大相位角的判据。研究证实, 对于深水隔水管来说,波浪对隔水管底部球铰的转 角影响甚微,也就是说底部球铰转角的变化不能反 映出波浪相位角的变化,而最大Mises应力则能够 很敏感地体现出波浪相位角的变化,故考虑将隔水 管承受的最大Mises应力作为波浪最大相位角的判 据。 212 准静态分析系统的建立 采用ABAQUS对隔水管进行准静态分析时,首 先要搜索到波流联合作用下波浪的最大相位角,而 搜索最大相位角的过程实际是给定相位角的初值, 计算提取最大Mises应力,然后按增量方式增加相 位角计算,尔后提取结果进行对比的过程,而且是一 511第32卷 第3期 畅元江,等深水钻井隔水管的准静态非线性分析 个循环过程。但搜索波浪最大相位角需要大量的重 复运算和重复提取结果,完全采用人工方式效率非 常低甚至不可能。 为解决该问题,开发了隔水管准静态性能分析 系统。该系统以C Builder为平台,无需启动 ABAQUS/CAE的图形用户界面GU I ,通过C Builder后台调用ABAQUS求解器进行计算,计算结 束以后, C Builder调用Python语言直接访问 ABAQUS数据库ODB文件,提取隔水管最大Mises 应力。然后, C Builder改变波浪相位角进行下 一次循环计算和提取结果,直至完成0 ～360 一个 周期的循环。实现上述过程的隔水管分析系统程序 流程如图3所示。 图3 隔水管准静态分析系统程序结构框图 Python程序在数据提取过程中发挥至关重要的 作用, ABAQUS脚本界面为Python脚本, ABAQUS 提供的脚本界面是面向对象程序语言Python的扩 展,采用ABAQUS脚本界面可实现下述功能 [8] ① 创建和修改ABAQUS模型及其部件,如零 件、 材料、 载荷和分析步等; ② 创建、 修改和提交ABAQUS分析任务; ③ 从ABAQUS输出数据库读取或者向其写入 数据; ④ 查看分析结果。 Python, ABAQUS脚本界面命令与ABAQUS/ CAE的关系如图4所示。 在ABAQUS/CAE环境下面, GU I图形用户界 面方式 , CL I命令行界面方式以及SCR IPT脚本 方式都要通过命令方式进入Python解释器,通过 Python解释器进入ABAQUS/CAE内核形成inp文 件, Python解释器同时产生 rpy 重放文件,该文件 记录了以上三种当中任何一种方式的操作。产生的 inp文件进入ABAQUS的求解模块进行计算,计算 结果被送入输出数据库。 图4 ABAQUS脚本界面命令与ABAQUS/CAE的关系 对于隔水管计算来说,每进行一次相位角的计 算,就形成一个数据库,采用Python编程直接访问 ODB文件,提取单元Mises应力、 轴向应力、 复合应 力,计算得到单元弯曲应力以及节点位移等, ABAQUS将这些结果记录在重放文件中,可用C Builder读取数据存放于结果文件中。 3 应用实例 311 隔水管几何属性与环境载荷参数 隔水管特性与环境载荷参数如下水深1 500 m,隔水管外径01508 m,璧厚010254 m,海水密度 1 02110 kg/m 3 ,钢密度7 85010 kg/m 3 ,钻井液密度 120010 kg/m 3 ,隔水管单位长度湿重2 85713 N,隔 水管单位长度干重489312 N,杨氏模量20618 GPa, 泊松比013,波高10 m,波浪周期15 s。 在无实测资料的情况下,海面下某深度的海流 流速可采用美国船级社推荐的公式计算 [9 ] ,即 vcyvmy /d 1/7 vty /d. 式中, vm为海面的风流速度; vt为海面的潮流速度; y为距海面的深度; d为水深。 为研究方便,此处vm与vt均取为015 m /s,对 应的流剖面形状如图5所示。 其他计算参数为拖曳力系数112;惯性力系数 210;钻井船平均偏移取决于水深、 钻井液质量、 隔水 611中国石油大学学报自然科学版 2008年6月 管张力水平、 海流、 波浪以及应力水平和底部球铰转 角等操作要求,其值常取为水深的某个百分比,这里 钻井船平均偏移取45 m,相当于水深的3;张力比 R TTR 为隔水管承受的顶张力与隔水管湿重包含 内部钻井液等之比,分别取114,117和210。 图5 vmvt0. 5 m /s时对应的流剖面形状 312 结果讨论 图6为隔水管最大Mises应力随波浪相位角的 变化。 图6 最大M ises应力与波浪相位角的关系 由图6可知,波浪的相位角对于隔水管承受的 最大Mises应力有较大影响。以算例中R取1. 4为 例,当波浪相位角为58 时,整个隔水管承受的最大 Mises应力最小,为15712 MPa,而当波浪相位角为 140时,整个隔水管承受的最大Mises应力最大,为 21418 MPa。另据计算, 3浮船平均偏移对应的波 浪最大相位角为140, 4浮船平均偏移对应的波 浪最大相位角则为126 。张力比的变化对波浪的 最大相位角没有影响,而浮船的平均偏移对波浪的 最大相位角影响较大。 图7为底部球铰最大转角随波浪相位角的变 化。由图7可知,隔水管底部球铰的转角对波浪的 相位角不敏感,以算例中R取1. 7为例,在0 ～ 360一个波浪相位角周期内,隔水管底部球铰的转 角变化为2163 ～2187,且变化不连续。 图7 底部球铰最大转角与波浪相位角的关系 313 隔水管静态与准静态分析结果对比 为对比静态与准静态分析的结果差异,首先不 考虑波浪作用进行隔水管的静态分析,然后考虑波 浪作用进行准静态分析,波浪相位角依次取0, 90, 180和270 。隔水管静态与准静态分析结果对 比如图8～11所示。 由图8～11可知,不考虑波浪载荷的隔水管静 态分析与考虑波流联合作用的隔水管准静态分析结 果差异较大。从隔水管弯矩、 横向变形、 复合应力以 及轴向应变等计算结果来看,波浪相位角为180 时 隔水管准静态响应最大,依次为波浪相位角90 、 不 711第32卷 第3期 畅元江,等深水钻井隔水管的准静态非线性分析 考虑波浪作用、 相位角270,当波浪相位角为0 时 隔水管准静态响应最小。 4 结 论 1对隔水管进行波流联合作用下准静态分析 时,应将波浪的最大相位角作为波浪的输入参数进 行计算。底部球铰转角的变化不能反映出波浪相位 角的变化,隔水管最大Mises应力可作为波浪最大 相位角判据。 2开发深水钻井隔水管准静态分析系统实现 了波浪最大相位角的自动搜索。 3对比了隔水管静态分析与准静态分析的差 异,波浪相位角取为180时隔水管准静态响应最大, 其次为波浪相位角90 、 不考虑波浪作用、 相位角 270,波浪相位角为0时隔水管准静态响应最小。 参考文献 [1] 畅元江,陈国明,许亮斌.深水顶部张紧钻井隔水管 的非线性静力分析[J ].中国海上油气, 2007, 19 3 2032206. 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