钻井隔水管动力响应及疲劳损伤分析.pdf

2 0 1 4年第4 2卷第 4期 石 油机械 C Hl A P E TR01 EUM MACHI NERY 海洋 石油装备 钻 井隔水 管动力响应及 疲劳损伤 分析 刘 洋 段梦兰 庹 鑫 陈景皓 范 晓 匡 涛 董朋光 1 ．中国石油大学 北京海洋油气研究中心2 ．北京石油化工学院3 ．胜利油田胜利动力机械集团有限公司 摘要钻井隔水管受到环境载荷循环作用 ，属于动态疲劳敏感结构，其疲劳性能分析成为隔 水管设计的难题。对不同海洋环境载荷下的钻井隔水管进行 时域非线性动力分析，采用雨流计数 法 、5 一 N 曲线和 Mi n e r线性累计损伤准则建立钻井隔水管的疲劳损伤模 型，重点研究 了环境参数、 隔水管几何尺寸和作业参数对钻井隔水管疲劳损伤 的影响规律 ，并对影响钻井隔水管疲劳损伤的 因素进行参数敏感性分析。分析结果表 明，海床 附近 的钻 井隔水管疲劳损伤随着土体刚度 的增大 而减小；适 当增大钻井隔水管壁厚可 以有效地抑制疲 劳损伤；焊接偏心距 的增大会 明显加重钻井 隔水管的疲劳损伤。该项研究结果为钻井隔水管设计和施工操作提供 了理论依据。 关键词 钻井隔水管；管土相互作用 ；疲劳损伤；参数敏感性；动力响应 ；有 限元 中图分 类号 T E 9 5 1 文献标 识 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 7 Ana l y s i s o f t he Dy n a m i c Re s p o ns e a n d Fa t i g ue Da m a g e o f Dr i l l i ng Ri s e r L i u Ya n g Du a n Me n g l a n T u o Xi n C h e n J i n g h a o F a n X i a o K u a n g T a o Do n g P e n g g u a n g 。 1 ． R e s e a r c h C e n t e r f o r O f f s h o r e O i l G a s ， C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m， B e ifi n g 2 ． B e ij i n g I n s t i t u t e of P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o 一 3 ． S h e n g l i D y n a mi c Ma c h i n e r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， S h e n g l i O i lfie l d Abs t r a c t Dr i l l i n g r i s e r i s u n d e r t h e c y c l i c a c t i o n o f e n v i r o n me n t a l l o a d． I t i s o f d y n a mi c f a t i g u e s e n s i t i v e s t r u c t ur e ． I t s f a t i g u e p e rfo r ma n c e a n a l y s i s i s a p r o b l e m i n r i s e r d e s i g n． A n o n l i n e a r d y n a mi c a n a l y s i s o f t h e t i me d o ma i n o f d ril l i n g r i s e r u n d e r d i f f e r e n t o ffs h o r e e n v i r o n me n t a l l o a d s wa s c o n d uc t e d ． Th e r a i n ． flo w c o u n t i n g me t h o d．S N c u r v e a n d Mi n e r l i ne a r c umu l a t i v e d a ma g e- c rit e r i o n we r e us e d t o e s t a b l i s h t h e f a t i g ue d a ma g e mo d e l f o r d r i l l i n g r i s e r ． Th e r e s e a r c h f o c us e d o n t h e l a w o f e f f e c t s o f e n v i r o n me n t a l p a r a me t e r ，g e o me t r i c s i z e o f r i s e r a nd o pe r a t i n g p a r a me t e r s o n r i s e r f a t i g u e da ma g e ． Th e p a r a me t r i c s e n s i t i v e a n a l y s i s o f t h e f a c t o r s i n flu e n c i ng t he d a ma g e wa s e a r r i e d o u t ． Th e a n a l y s i s s h o ws t h a t t h e d r i l l i n g r i s e r f a t i g ue d a ma g e n e a r t he s e a b e d wi l l d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e o f s o i l r i g i d i t y ．Pr o pe r i n c r e a s e o f r i s e r wa l l t h i c k ne s s c a n e f f e c t i v e l y c o n t r o l f a t i g u e d a ma g e ． I nc r e a s e o f we l d i ng e c c e n t r i c i t y wi l l n o t i c e a b l y i n c r e a s e t h e d a ma g e ． Th e r e s e a r c h a c h i e v e me n t p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l b a s i s for t h e d e s i g n a n d o p e r a t i o n o f d r i l l i n g r i s e r ． Ke y wo r ds d ril l i n g r i s e r ； p i pe s o i l i n t e r a c t i o n；f a t i g u e d a ma g e； p a r a me t r i c s e n s i t i v i t y； d y n a mi c r e s p o n s e； fin i t e e l e me n t 0 引 言 在整个 自升式平台钻井系统 中，钻井 隔水管是 连接水下井 口与海面上钻井平台的重要通道和关键 结构 ] ，主要 用来 隔离 海水 、导 人 钻具 和套 管 、 循环钻井液等。钻井隔水管工作环境十分恶劣 ，其 安全性能影响着整个钻井过程。如果钻井隔水管出 现事故 ，不但会导致钻井液泄漏而无法继续进行钻 井工作等经济损失 ，而且还会造成海洋环境污染等 严重后果。 钻井隔水管受波浪、海流等环境载荷 以及作业 基金项 目国家 9 7 3计划项 目 “ 深海柔性结构的非线性流固耦合 振动与破 坏机理 ” 2 0 1 1 C B 0 1 3 7 0 2 。 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 4期 过程 中的载荷共同作用产生振动 ，从而产生疲劳破 坏。因此 ，对钻井隔水管进行动力响应及疲劳损伤 分析具有重要意义。钻井隔水管在海中呈现几乎垂 直于海面的形态。通常采用四阶线性偏微分方程来 计算钻井隔水管的横向变形 。利用有 限元软件 分析钻井隔水管的力学特性 ，该方法可以考虑由于 横 向变形过大而引起的几何非线性 。计算海洋 立管的疲劳损伤有 2种方法 一种是 S N 曲线和 Mi n e r 线性累积损伤准 则；另一种是 断裂力 学 。 T程中通常采用第 1 种方法 。近年来 ，断裂力学方 法越来越受到重视 ，并在海洋工程中得到了广泛应 用 。 笔者拟在此对 自升式钻井平 台使用的钻井隔水 管进行 时域非线性动力分析 ，采用雨流计数法 、s 一 Ⅳ曲线和 M i n e r 线性累计损伤准则建立钻井隔水管 的疲劳损伤模型，并对影响钻井隔水管疲劳损伤的 因素进行参数敏感性分析 ，以期为钻井隔水管设计 和施工操作提供理论依据 。 l 钻井隔水管时域非线性动力分析 在建立钻井隔水管有限元模型前 ，需要分析钻 井隔水管所受环境载荷及约束条件 ，从而建立钻井 隔水管整体模型。 1 ． 1 钻井隔水管整体模型 白升式平 俞使用的钻井隔水管顶端与防喷器连 接 ，底端入泥 ，垂直于海面站立 。钻井隔水管除了 受到 自重和浮力外 ，还要受到海浪 、海流的横向作 用力。 由于钻井隔水管的长度远大于直径 ，所以可采 川梁单元模拟。钻井隔水管整体模型如图 1 所示 。 图 1 钻 井隔水 管力学分析模型 Fi g ．1 Me c h a n i c a l a n a l y s i s mo d e l o f dr i l l i ng r i s e r 1 ． 2 环境载荷理论 钻井隔水管所受的环境载荷主要来 自波浪和海 流。对于 钻井 隔 水管 这 种小 尺 度 的海 洋 结构 物 外径与波长之 比小于 0 ． 2 通常采用 Mo r i s o n方程 来计算流体力。作用在钻井隔水管的流体力可以分 为拖曳力和惯性力 ，具体表达形式如下 F F 1 F1 J CI D ， m l 『 『l 1 2 F lP C 3 其 中，F 为拖曳力，F． 为惯性力 ， P为海水密度 ， C 。为拖曳系数 ，C 为惯性系数 ，D 为有效外径 ， 为水质点速度 ，n ， 为水质点加速度 。 1 ． 3边界条 件 钻井隔水管除了受到波浪和海流等环境载荷的 作用外 ，两端还要受到约束作用 。如何正确处理边 界问题关系到计算结果 的精确度 。自升式平 台使用 的钻井隔水管顶端 连接防喷器 ，可 以作 为铰接处 理。钻井 隔 水 管 底端 入 土 深度 一 般 在 3 0～1 0 0 I l l_ 8 。钻井隔水管受到环境载荷的作刚产生横 向振 动 ，从而在人土段与土壤发生相互作朋 ，町以通过 A B A Q U S中的 P S I 单元来模拟管土作 ，建立管土 相互作用模型 。 1 ． 4 隔水管动态响应有限元方程 采用张力梁的偏微分方程来模拟钻井隔水管的 侧向变形位移 ，其控制方程如下 嘉 E ， 一 筹 F x , t 4 其 中， 表示 隔水管偏离井 I 1 的侧 向位移 ，Y表示 隔水管 自泥线起 的距离 ，t 表示时问 ，E表示隔水 管材料的弹性模量 ，， 表示隔水管截 面的惯性矩 ， 表示有效轴向张力 ， 表示隔水管单位长度的震 动质量 ，具体表示如下 M D 一D p D {D P C 一1 5 式中，D表示隔水管 的外径 ，D． 表示隔水管 的内 径 ，P 是管的密度 ，P 是管 内部 流体 的密度 ，P 是海水密度。 将公式 4 通过插值 函数离散化 ，可 以得 出 综合多 自由度系统的动态响应有限 方程 [ ] { x }[ C ] { 克 }[ ] { } { F t } 6 式中，[ ]表示连续质量矩阵， [ C ]表示阻尼矩 阵，[ ]表示系统刚度矩阵，{ F t }表示基于时 问的随机水动力载荷矩阵。{ x 、{ 立}和 { }分别 表示结构的加速度 、速度和位移。整个隔水管 的连 2 0 1 4年 第4 2卷 第 4期 刘 洋 钻 井隔水管动力响应及疲 劳损伤分析 续质量矩阵 [ ] 由全域坐标下的单元质量矩阵的 集合所组成 ，增加 的质量也包括在其中。 2 疲 劳损伤模 型 钻井 隔水管在 波浪载荷 的作用下产生交 变应 力 ，造成隔水管在应力值远小于材料的强度极 限， 甚至 比弹性极限低 的情况下就发生破坏的现象 。建 立合理准确的钻井隔水管疲劳损伤模型对于保证钻 井作业安全具有重要意义。采用雨流计数法 、S 一 Ⅳ 曲线和 Mi n e r 线性累积损伤准则建立钻井隔水管的 疲劳损伤模型 ，编制相应的计算程序 。 2 ． 1 Mi n e r 线性累积损伤准则 海洋结构在波浪载荷引起的交变应力作用下产 生的疲劳损伤是一个累积的过程 。对于钻井隔水管 承受不 同幅值交变应力作用力的情况 ，隔水管总的 疲劳损伤可以通过把不 同幅值的应力造成 的疲劳损 伤进行 累加得 到。当总的疲劳损伤达 到一定数值 时，钻井隔水管就发生疲劳破坏 。工程中最为常用 的是 Mi n e r 线性累计损伤准则 ，即有 D ㈩ 式 中，n S 为应力幅值为 S 下的循环次数 ，』V S 为应力幅值为 5 下结构失效的循环次数， 为 累积疲劳损伤。 2 ． 2 S N 曲线 通过对不同应力水平作用下的试件进行试验而 得到 5 一 Ⅳ曲线 。根据 D N VR PC 2 0 3规范 中给出 的不同结构 S 一 Ⅳ曲线 ，采用 B 1曲线 有阴极保 护的水下腐蚀环境 作 为钻井隔水管 焊接点疲劳 分 析 的 s 一 Ⅳ 曲线 ，如 图 2所 示 ，其 中 l o g a取 1 4 ． 9 1 7．m取 4 。 I I } ，． l 、。 ’ 毫 、 ＼ 、 、 0 ＼ 0 。 - 专 、 ～ ～ ． 、 1 、～ 、 、 ～ ～～ 、 、 、 ～ ～ ， 、 0 - 、 - 诚 ～ ～ ～ 、 、 ‘ 、 、 ～ 、 1， 、 、 ～ ～， 图2 海水中有阴极保护环境下的应力一 寿命曲线 Fi g ． 2 S t r e s s l i f e c u r v e i n c a t ho d e p r o t e c t i o n e n v i r o n me n t i n s e a wa t e r 由于钻井隔水管为管状结构 ，需要考虑壁厚效 应。对于热点区域 如焊接 点需要 定义应力集 中系数。相应的 S 一 Ⅳ曲线如下 5 J N a[ SoScF 8 式中，s 。 为名义应力幅值 ，t 为壁厚 ， 为参考壁 厚 ，管节点取 0 ． 0 2 5 m， 、 、m为常数。钻井 隔 水管焊接处为环形焊缝 ，a、 、m的具体取值依据 罔2中的 D曲线。 S C F 为应力集 中系数 ，考 虑 了由于制造 公差 、 安装 以及焊接工艺造成 的连接处几何 缺陷，如 图 3 所示 ，其表达式如下 s 。， 1 挚 e x p f - a ／ ] 9 式中，e 为焊接偏心距 ，d为管道外径 ，1 13 。 图 3焊 接 点焊 接 偏 心距 示 意 图 Fi g ． 3 Di a g r a m o f we l di ng e c c e n t r i c i t y o f we l di n g po i n t 2 ． 3 疲劳载荷谱处理 众所周知 ，恒幅载荷作用下的疲劳损伤计算可 以直接利用 5 一 』7v曲线 ，变幅载荷谱下疲劳损伤 的计 算借助于 Mi n e r 理论也可以解决。但是钻井隔水管 所受到的载荷是随时间随机变化的载荷 ，为计算钻 井隔水管 的疲劳损伤需要对其进行应力幅值与循环 次数的统计。首先对钻井隔水管进行时域非线性动 力响应分析 ，得到节点的 V o n Mi s e s 应力随时间变 化的曲线 ，再通过雨流计数法处理钻井隔水管的载 荷。雨流计数法是 考虑 了材料应力一 应变非线性关 系而提出来的一种计数方法 。可 以将应力统计分析 中的迟滞 回线和疲劳损伤理论结合起来 ，而且每一 部分都参与记数 ，并且只计 1次 ，同时假定大循环 所产生的疲劳损伤不受小的迟滞曲线的影响。这是 目前公认最为准确 的一种方法。 3 实例分析 利用建立的钻井隔水管动力响应分析方法及疲 劳损伤模型对钻井隔水管进行疲劳损伤参数敏感性 分析。分别在环境参数中选取土体刚度， 在隔水管 几何尺寸中选取隔水管壁厚，在作业参数中选取焊 接偏心距等参数，通过有限元计算来分析这些参数 对隔水管疲劳损 伤 的影响⋯J 。钻井 隔水管计 算所 需的基本参数如表 1所示 。 一 2 8一 石 油机械 2 0 1 4年 第4 2卷 第4期 表 l 钻 井隔水管计算所需的基本参数 Ta l l l l 1 【 { d d a t a i l e e 1 e 1 I y 1 1 in g r i s e r c a l c u l a t io n 3 ． 1 土体刚度对钻井隔水管疲劳损伤的影响 钻井隔水符除 J 受到环境载荷的作川外 ， 人 t段 _．j 十体广 生相 i 作用。土体刚度大小影响钻井 隔水管的受 状态及疲劳损伤 ，选取 土体刚度 2 、 2 0、2 0 0和 2 0 0 0 k N ／ m，对钻井隔水管进行疲劳损 伤分析，计 结果细 1 图 4所示。 图 4 不 同土 体 刚 度 下 钻 井 隔 水 管 的 疲 劳损 伤 ．4 F a t i g u e da n l a g e o f l i S f I un d e r di f f e r e n t s o i l r i g i l i t i e s F } 1 可知 ，海床附近钻井隔水管疲劳损伤最为 7 藿。4种土体刚度 If 应的钻井隔水管疲劳损伤的 最大 f f [ 分 别 为 0 ． 0 1 6 4 4、0 ． 0 0 5 2 9、0 ． 0 O 4 9 7和 0 ． 0 0 3 4 3 ．海床附近的钻井隔水管疲劳损伤随着土体 1]c l 0 度的增大而减小。、 【 j 土体刚度增大到一定程度时， 上体刚度的变化对钻外疲劳损伤的影响减小。 3 ． 2 壁厚对钻井隔水管疲劳损伤的影响 壁厚是钻外隔水管的重要没计参数之～，壁厚 的大小 父系到钻 井隔水管的成本以及 与其连接的装 性能 钻井隔水管壁厚 的设计应考虑到结构的强 度要求 ，同时也要满足疲劳强度的要求 。选择壁厚 0 ． 0 2 6、0 ． 0 3 6 、0 ． 0 4 6和 0 ． 0 5 6 r n的钻井隔水管进 行疲劳损伤分析 ，汁算结 果见图 5 。由图可知 ，4 种 厚对应的钻井隔 水管疲 劳损 伤最大值分 别为 0 ． 0 0 5 2 9、0 ． 0 0 2 9 8、 0 ． O 0 l 9 8和 0 ． O 0 l 9 8 。可 见 ， 增加壁厚可以有效减轻隔水管疲劳损伤。 壁厚增 加到一定程度时 ，增加壁厚对抑制钻井隔水管疲劳 损伤的作川效果逐渐减小。『l大 l 此 ，适 当增加钻井隔 水管的壁厚可以何效抑制疲劳损伤。 图 5 不同壁厚 下钻井隔水管的疲劳损 伤 Fi g ． 5 F a t i g u e d ama g e o f r i s e l’U l l d e r diffe n nl wal l t h i c k n e s s e s 3 ． 3 焊接偏心距对钻井隔水管疲劳损伤的影响 钻井隔水管焊接点 的疲劳性能要求良好的焊接 质量 。焊接偏心 实际操作巾不町避免的l l夫 l 素。针 对焊 接 偏 心 距 为 0 ． 0 0 0 0 、0 ． 0 0 1 3 、0 ． 0 0 2 6祠1 0 ． 0 0 3 9 I I 1 的钻J t R r 水管进行疲劳损 伤分析 ，计算 结果 图 6 ， 图 6 不同焊接 偏心距下钻井隔水管的疲劳损伤 Fig ． 6 } ’a t i g u e da ma g e o f r i s e r u I lde i ’ di ff er e n t we l di n g e e n t r i c i t i e s 由图可知 ，4种焊接偏心距对应 的钻井隔水管 疲劳损伤分别为 0 ． 0 0 5 2 9、0 ． 0 0 9 5 3 、0 ． 0 1 6 1 1和 0 ． 0 2 5 9 3 。焊接偏心距的增加会明显增大钻井隔水 管疲劳损伤。因此 ，有效控制焊接偏心对钻井隔水 管造成的疲劳损伤具有重要意义。 4 结 论 1 建 丁 于管土相瓦作用 的钻井 隔水 管 2 0 1 4年 第 4 2卷 第4期 刘 洋钻 井隔水 管动 力响应及 疲劳损 伤分析 一 2 9一 时域非线性动力分析方法 ，采用雨流计数法 、5 一 Ⅳ 曲线和 Mi n e r 线性累积损伤准则建立了钻井隔水管 疲劳损伤模型。所建立的动力分析方法及疲劳损伤 模型对钻井隔水管的设计及校核具有应用价值 。 2 使用建立 的模型对影 响钻井隔水管 的因 素进行分析，分析结果表明，海床附近的钻井隔水 管疲劳损伤随着土体刚度 的增大而减小 ；适 当增加 钻井隔水管壁厚可以有效地抑制疲劳损伤 ；焊接偏 心距的增大会明显加重钻井隔水管的疲劳损伤 。 [ 2 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