天然气水合物保温保压筒最佳长度选择.pdf
第 3 8 卷第 3 期 2 0 0 9 年 5月 石油化工设备 P ETRO- CHEMI CAL EQUI PMENT Vo 1 . 3 8 NO . 3 M a v 2 00 9 文章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 9 0 3 0 0 5 1 0 3 天然气 水合物保温保压筒最佳长 度选择 王媛 ,仇性启 中国石油大学 华东 清 洁能 源科 学与技术研究所 ,山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘要天然气水合物 已成为 2 1世纪继煤 、 石油等生物化石燃料之后 的又一清洁高效的新能源, 对 其开发研 究也越来越得到广泛关注。对天然气水合物钻探取心机构中发生桩效应的相关情况进行 了介绍, 分析计算了天然气水合物钻探取心机构 中保温保压筒最佳长度 , 并得 出了相应结论。 关 键词 天然气水合物;保温保压筒;桩效应 ;最佳长度;计算 中图分 类号 TH 4 9 文献标 志码 A Op t i m u m Le ng t h o f Pr e s s u r e a n d Th e r ma l Co r i n g S y s t e m WANG Yu a n,QI U Xi n g - q i Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ,Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 , C h i n a Ab s t r a c t Ga s h y d r a t e h a s b e e n n e w c l e a n a n d h i g h e f f i c i e n c y e n e r g y a f t e r f o s s i l o r g a n i s m f u e l s s uc h 3 S c o a l a n d pe t r ol e um. So we p a i d m o r e a t t e nt i on t o i t s e xp l o r a t i on . A n a l ys e s a nd c a l c ul a t i on m 4 结 论 . .f 1 在压力容器不等厚板对接焊时, 对齐方式以 及进行焊缝余高打磨对局部应力集 中和疲劳寿命有 重要影响。由文中计算的 2 O个模型可以得出, 其他 参 数相 同 时 , 中面对 齐 结 构 的 三 向平 均 应 力 集 中系 数和疲 劳寿命分 别是 内壁对 齐结构 的 1 / 1 . 4 5和 5 . 4倍 ; 其 他参 数相 同而焊 趾角 4 0 。 焊 接结 构 的三 向 平均应力集中系数和疲劳寿命分别是完全打磨结构 的 1 / 1 . 6 1 和 3 . 6 倍 。在 进行 不等 厚 板对接 焊 时 , 选 择中面对齐和将焊缝余高磨平能够非常有效地降低 局部应力集中并提高结构的疲劳寿命 。 2 在压力 容器 不等 厚板 对接 焊 时 , 筒体 削 薄段 斜度在 1 3 ~1 4对局部应力集中和疲 劳寿命影 响较小 。由文中计算的 2 O个模型可以得 出, 其他参 数相同时筒体削薄段斜度为 l 4结构 的三 向平均 应力集中系数和疲劳寿命分别为筒体削薄段斜度为 1 3 结 构 的 1和 1 . 6倍 。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵亚凡 , 宋明大. 压力容器焊接接头疲 劳裂 纹萌生寿命 的探讨 _ J ] . 化工装备技术 , 2 0 0 3 , 2 3 3 3 1 - 3 4 . [ 2 ] Yi Mi n g J e n , L i Ye n C h a n g , C h a o F e n g F a n g . As s e s s i n g t h e Fa t igu e Li f e o f Bu t t we l d e d J o i n t s un d e r Obl i q u e Lo a d i n g b y Us i n g L o c a l Ap p r o a c h e s [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e , 2 0 0 8, 3 0 4 6 0 3 - 6 1 3 . [ 3 ]T s o L i a n g T e n g, C h i n - P in g F u n g , P e n g - Hs ia n g C h a n g . E f f e c t o f W e l d Ge o me t r y a n d Re s i d u a l S t r e s s e s o n Fa t igu e i n B u t t we l d e d J o in t s [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n d o f P r e s s u r e Ve s s e l s a n d P i p i n g , 2 0 0 2, 7 9 3 4 6 7 4 8 2 . [ 4 ] 丁彦闯 , 兆文忠. 提高焊接结构疲 劳寿命 的刚度协调 策略与应 用[ J ] . 焊接学报 , 2 0 0 7 , 2 8 1 2 3 1 - 3 4 . [ 5 ],AS ME VI I I 1 2 0 0 1 , 压力 容器[ s ] . [ 6 ] E N 1 3 4 4 5 2 0 0 2 , 欧盟压力容器标 准[ s ] . [ 7 ] GB I 5 o I 9 9 8 , 钢制压力容器[ s ] . [ 8 ] J B 4 7 3 2 1 9 9 5 , 钢 制压力容器分析设计标准 [ s ] . [ 9 ] 潘 勇琨 . 压力容 器标准对 不等厚板材对 接要求 的分析口] . 石油 化工设 备技术 , 2 0 0 7 , 2 8 5 1 6 1 8 . 口O ]余伟炜 , 高炳军 ANS YS在机械与化 工装备 中的应用 [ M] . 北 京 中国水利水 电出版社 , 2 0 0 6 3 3 1 - 3 5 w 6 . [ 1 1 ]李宝华 , 谢俞钧. 压力容器制造过 程中执行 法规标准 的若干 问 题及建议[ J ] . 石油化工设备 , 2 0 0 8 , 3 7 1 5 8 6 1 . [ 1 2 ]王志文 , 蔡仁 良. 化 工容 器设计 [ M] . 北 京 化 学工 业 出版社 , 2 0 05 2 3 8 2 5 0 . 张编 收 稿 日期 2 0 0 8 一 l 1 2 8 作者简 介王媛 1 9 8 3 一 , 女 , 山东莱州人 , 在读硕士研究生 , 从事压力容器 、 固体力学方面 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8卷 a bo u t t he l e n gt h of t h e pr e s s u r e a nd t e mpe r a t ur e c o r i ng s y s t e m we r e c a r r i e d ou t .Co nc l us i o n wa s o bt a i n e d . Ke y wo r d s g a s h y d r a t e ; p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e c o r i n g s y s t e m; p i l e e f f e c t ; o p t i mu m l e ng t h; c a l c u l a t i on 众 所周 知 , 对 于 天然 气 水 合物 的开 发 已经 成 为 全球能 源 紧张大环 境 下 一项 重 要 的战 略计 划 , 而 天 然气水 合物取 心必 然需要 取心 筒 。取 心筒 长度 的选 择至关重要 , 过短不 能达到取心要求 , 浪费人力物 力; 过长则造成资源浪费, 并对水合物的保真构成威 胁 , 因而 , 选择 一个 适宜 长度就 成为研 究 的一项 重要 内容 。 1 桩效应 简介 用 取 样筒 取 样 品 时 , 样 品 最终 会 达到 一 个较 大 的高度, 这时内壁与样品间的摩擦力阻止样品的进 一 步 进入 , 沉 积物 在 取样 筒 的下 面形 成 了一个 球 形 或 圆锥形 。取样 器继 续 前 进 时 , 就像 一 根 实 心棒 一 样 , 把 所有 的沉积 物推 向 四周 , 这就 是桩效 应 。确定 取 心筒长度 时主 要遵循 的原 则是在 防止桩 效应 的前 提下尽可能取到较深的岩心 。桩效应使得样品在取 心筒 内被压实 , 不但使其发生扰动 , 而且导致更深层 的样品无法进入取样器, 取心效率大为下降。 国外 有 文献 记 载 , 取样 器 在 静载 作 用下 贯 入沉 积物层 , 管中的充填高度主要取决于取样管的内径 、 岩心与管 壁 的摩 擦力 以及 沉积物 层 的强度 。可利用 式 1 大致确定充填高度的临界值 , 大于此数值就会 发生桩效 应 。 h , 一3 d / f 1 式中, h 为样品在取样管中充填高度 的临界值, d为 管子 的 内径 , mm; f为沉 积 物层 与取 心筒 壁 的摩 擦 因数 。 式 1 是经大 量实验 得 到的经验 公式 , 实验 条件 为 , 管子在 静载下 压入 含 0 . 0 8 ~4 . 0 0 mm 粒 径 的水 饱 和砂层 和砾砂 层 。显 然 , 在 式 1 所 述 条 件下 , 不 可 能得 到很长 的沉 积 物样 品。 即便 当 取 0 . 3时 , 临界充填高度最大值也仅为 1 0 d, 远不能满足现在 的取心要求。 2 发生桩效应 临界长度计算 2 . 1 取心筒内样品受力情况 样 品在 取心 筒 内的受力 情 况见 图 1 。主要 受力 有 样品在海 水 中的 自重 G、 样 品 受 管 内壁 的 挤 压力 FN以及样品受管内壁 的摩擦力 F。样品进入管内 时 的水 阻力 很小 , 可 以忽 略 。 图 1样 品 在 取 心筒 内受 力 2 . 2 朗肯土压力理论 1 8 5 7年英国学者朗肯 Ra n k i n e 通过研究弹性 半 空 间体 内的应力 状态 , 根据 土 的极 限平衡 理论 , 得 出了计算土压力 的方法, 又称极 限应力法 。朗肯理 论的基本假设 ①对象为弹性半空间土体 。②不考 虑挡 土墙 及 回填 土 的施 工 因素 。 ③ 挡 土 墙 墙 背 竖 直 、 光 滑 , 填 土 面水平 , 无超 载 。 当挡土墙在土压力 的作用下向着土体方向位移 时 , 作用在微分 土体上 的竖向应力 保持不变, 而 水平 向应 力 逐 渐 增 大 , 由小 主应 力 变 为 大 主 应 力 , 直至 土体达 到极 限平衡 状态 , 此时水 平 向最大应 力 即为被 动 土 压 力 强 度 E。 , 空 间 任 一 点 的受 力 状 况见 图 2 。 j l 图 2 空间任一点受力图 计算被动土压力时可以取 为最大主应力 , 为最小主应力。根据极限平衡理论 , 当墙移向土体 的位移达到朗肯被动土压力状态时 , 在深度 z处任 意一点的被动土压力强度 E 可以按 以下表达式进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王 媛 , 等 天然气水合物保温保压筒最佳长 度选 择 行计算 。 一 3 t a n 4 5 。 / 2 2 F t a n 4 5 。 e / 2 其 中 1 一E 。 , z 则E 一 z t a n 。 4 5 。 / 2 2 c t a n 4 5 。 f / 2 2 式 中 , 为 内摩 擦角 , 。 ; y为粘 土 的湿 重度 , N/ m。 ; C 为样 品 的粘 聚力 , k P a 。 根据式 2 得出的粘性土 的土压力分布为梯形 图 3 , 作用位置通过梯形面积重心 。 图 3粘 性 土 土 压 力 分 布 单位墙长度总被动土压力为 E 1 一 。 K / 2 2 c h / K 3 其中 K 一t a n 4 5 。 / 2 式中, E 。 为总被 动土压力 , k P a ; h为挡墙高度, m; K。 为被 动 土压力 系数 lI 】 ] 。 2 . 3 临界长度确定 根 据式 3 可 以得 到 样 品 受 管 内壁 的挤 压 力 计 算公式为 FN n d E T r d 加 K / 2 2 c h 4 如果不考虑动力过程 , 则样品受 管内壁的摩擦 力表 示 为 Ff F N f n d E f n d K / 2 2 c 5 当岩心长度等于取样管贯入深度 时, 样 品在海 水 中的 自重 为 G 一 7 --Y w 6 式 中 , , 为海水 重度 , 1 0 0 9 4 N/ m。 。 此时 , 岩心 进入 取样 筒受 到 的总反 力 F 为 FR FG 7 则管靴空间样品的压应力 P为 户 d 一 d d K 2 7 c 2 J , ‘ p l 芎 如 厂 矗 y 一 8 桩效 应 出现 的条 件 是 , 官 靴 空 间样 品的压 应 力 大于等于体积压缩状态下样品的强度极限 , 即 ≥ 时 才发 生桩 效 应 。取 临 界 条 件 , 则 此 时 临界 高度 H,i 为 Htj 一监 √E 8 c f d y --y ] 8 d f y a K , n 、 4 f r K H。. 即为样品在取样筒中填充高度的临界值 , 即 为筒体的最大取心高度, 超过此值就会出现桩效应 。 H。 与 d、 f 、 有关 , 也和岩心样品本身的 C以及海 底地质条件有关 , 后者 因素不能控制 , 只能适 当选 择 。管子 内径 d不能太大, 不然取样设备因庞大而 不便操作 ; d也不能太小, 否则桩效应 出现较早 , 影 响取心效率。岩心 与管壁摩擦因数小, 在各向压缩 条 件 下沉 积物层 强 度 极 限较 大 时 , 桩 效 应 出 现得 较 晚。因此 , 只有减小摩擦因数 , 才能在增大孑 L 深的同 时保证岩心的取样率 。 根据经验值取 厂一0 . 3 、 1 7 . 5 。 。由于 c 变化 较大, 因此并无 固定 取值 , 要 由试验 测定 , 文 中取 C 一4 . 2 k P a 。当 d取较小值 4 2 mm 时, 把各变量取 值带入式 9 计算得出 H。j 一4 . 6 6 m; 当 d取较大值 1 0 0 mm 时, 把各变量取值带人式 9 计算得 H 一 7 . 3 6 m 3 结 语 根据现有的取样设备 , 最深取心深度可达海底 1 2 m, 但技术很不成熟 , 一般取 5 ~7 m。与最佳长 度相对应的最佳筒径为 7 0 ~9 0 mm, 这样既能取到 合适长度 的岩心 , 有效防止桩效应发生 , 又能使现有 取 样 设备 的能 力发 挥 到最佳 。 参考文献 E 1 7 鄢泰 宁, 昌志军 , 补 家武. 海底取样 器工 作机理 分析及 选用 原 则 海底取样技术专题之-E ] 3 . 探矿工程 岩土钻掘工程 , 2 0 0 1, 4 5 3 1 9 2 2 . E 2 ] 程毅. 天然 气水 合物 保真 取样技 术研 究 [ D] . 杭 州 浙 江大 学 , 2 0 0 6 1 9 - 2 1 . E 3 3 顾慰慈. 挡 土墙 土压 力计算 手册 [ M] . 北京 建材工业 出版社 , 2 0 0 5 . [ 4 ] 许红 , 吴河勇 , 徐禄俊 , 等. 区别于 DS D P OD P的深海保压 保 温天然气水 合物 钻探 取 心技 术 E J 3 . 海 洋地 质 动态 , 2 0 0 3 , 1 9 6 2 4 2 7 . E s ] 黄文件 , 刘道平 , 周文铸 , 等. 天 然气水合 物的热 物理性质 [ J ] . 天然气化工 C I化学与化工, 2 0 0 4 , 2 9 6 6 7 0 . 张 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m