海洋平台Y型管节点静力强度研究

在海洋平台结构中,管节点是关键部位。以典型Y型管节点为例,采用有限元法,研究Y型管节点的静力强度。利用ABAQUS建立某海洋平台某Y型管节点有限元模型,通过施加一系列不同的载荷,计算得到Y型管节点失效时所承受的载荷。基于ABAQUS计算该Y型管节点在承受轴向拉伸、平面内弯曲和平面外弯曲载荷时构件发生失效的应力情况,发现构件失效时,所承受的轴向拉伸载荷为1 430 kN,平面内弯曲和平面外弯曲时弯矩载荷分别为37.28 kN·m和17.69kN·m。敏感性研究通过改变弦杆的壁厚,计算得到该Y型管节点在承受外部载荷一系列最大应力和变形值。研究表明,随着弦杆壁厚的增加,Y型管节点的应力和变形值减小。     

悬空长输管道地震反应模拟分析

为研究悬空长输管道在地震载荷作用下的动力响应,利用大型通用有限元软件ABAQUS进行数值模拟。综合分析了地震载荷作用下悬空管道的应力状况和变形特征,同时考察了悬空长度、土壤参数和管径大小以及管壁厚度等参数对悬空管道动力响应的影响。研究结果表明:管道壁厚、悬空长度、土壤参数和管径大小都会对埋地管道的地震反应产生较大影响,其中管径的影响最大;在一定的管径范围内,随着管径的增大,峰值应力及峰值位移会逐渐减小,当到达临界值后,峰值应力会随管径增大而增大。研究成果为悬空长输管道的设计、安全维护及科学管理提供了参考依据。     

Φ139.7mm套管偏梯形螺纹接头的有限元分析

采用有限元方法分析了φ139.7 mm（5 12英寸）套管偏梯形螺纹接头的等效应力分布和接触压力分布规律。分析结果表明：随着轴向拉伸力的增加，套管接头上的等效应力峰值逐渐增大；轴向拉伸载荷较小时，在有过盈配合的情况下产生的最大等效应力大于仅承受相同轴向载荷时产生的最大等效应力值；当轴向拉伸载荷较大时，在有过盈配合的情况下产生的最大等效应力反而小于仅承受相同轴向载荷时产生的最大等效应力值。螺纹接头两端是发生断裂破坏的始发点，螺纹间的接触压力主要发生在套管螺纹端部啮合的1~3牙内，其接触压力分布是不均匀的，随着轴向拉力的增加，接触压力增大。     

管-土相互作用对海底管道横向屈曲的影响

基于ANSYS建立了平坦海床上裸铺管道的非线性有限元模型,分析了管-土相互作用参数对海底管道前屈曲及后屈曲的影响。结果表明,管道屈曲的临界温差、最大弯矩及最大轴向总应变随着横向摩擦因数的增大而增大,管道总屈曲段长度随着横向摩擦因数的增大而缩短;轴向摩擦因数对管道临界屈曲载荷、后屈曲的变形、弯矩及应变影响很小;管道屈曲的临界温差随着土体屈服位移的增大而减小。     

外腐蚀复合凹陷状态下X80管线钢的残余应力演变特征

管道上体积缺陷与凹陷共同存在是管道损伤中严重的破坏形式。为此开展X80管线钢管的外腐蚀复合凹陷预制,进行凹陷区应变采集和残余应力测试,讨论外腐蚀凹陷状态下的应力应变分布,并分析凹陷区微观组织变化。试验结果表明,外腐蚀凹陷状态下,管道凹陷中心的外壁承受压应力,内壁承受拉应力;凹陷区外壁轴向的压应力随着与凹陷中心距离的增加而增大,出现峰值后压应力逐渐减小,转变为拉应力;凹陷区钢管内壁的径向与轴向均承受拉应力。含外腐蚀凹陷的钢管,承受应力最大的区域位于外壁凹陷区的腐蚀坑边缘,且含腐蚀凹陷的钢管在凹陷变形中承受的应力峰值远高于单纯凹陷。腐蚀凹陷区的应变增量与凹陷深度呈线性相关,凹陷深度≥5%时,应变增幅急剧上升。凹陷区底部和侧壁的晶粒沿着变形最大的方向被拉长,使得凹陷区不同部位表现出不同的残余应力分布状态。     

井口处连续油管最大允许轴向载荷分析

针对井口处的连续油管,考虑残余曲率,通过梁弯曲理论推导出连续油管的形态方程和挠度方程,建立了连续油管截面应力模型和最大允许轴向载荷模型。研究表明,连续油管易在凹侧外表面产生过大压应力,发生强度失效; 连续油管最大允许轴向载荷随着井口处长度增大而减小,随着连续油管壁厚增大而增大。井口处长度对最大允许轴向载荷起主要作用,在实际应用过程中应尽可能缩短注入头下端和井口位置上端之间的长度。     

管道进出站场段敷设方式的改进

油气管道进出站场段是管道受力和变形较大的区段,随着管道直径的增大,所需锚固墩承受的推力增大,锚固墩的体积也需随之增大,管道承受的应力很大。为避免长距离埋地管道的轴向位移传递到站内,并避免设置进出站锚固墩带来的不利因素,提出了Z字型进出站场段的管道敷设方式。文章结合管道线路和输送工艺参数进行计算与分析,指出必要时调整进出站段局部管道的线路走向,可减小进站处地面设备和管道的应力及位移。     

L-CNG加气站低温高压管道的弯曲变形分析及补偿方法

以某L-CNG加气站为例,在液化天然气(LNG)转换为车用压缩天然气(CNG)的过程中,由于压力和温差的急剧变化,造成加气站低温高压管道弯曲变形的问题,分析了弯曲变形的原因,对管道的材质和规格、承受压力、安装方式及长度进行了核查验算,对收缩补偿量和收缩应力进行了计算,介绍了补偿方式、选用原则及安装方法。指出对较长的低温高压管道,特别是两设备之间的连接管道,一定不能做成刚性连接的直管,配管时应考虑管系要有足够的柔性,充分利用其自身的膨胀,当无法自然补偿时,推荐使用∏型补偿器,介绍了该型补偿器的制作使用方法。     

CDJY2500型压裂泵曲轴的力学性能分析

为了对五缸压裂泵曲轴进行优化设计,对CDJY2500型五缸压裂泵曲轴进行正常工作载荷下的受力综合分析,建立了压裂泵曲轴的有限元模型。采用有限元仿真计算方法及ANSYSWorkbench对10种危险工况和5种不同连杆载荷下的曲轴应力和总变形量分布规律进行分析。分析结果表明:曲轴的最大应力为180. 23 MPa,位于曲轴1#曲柄销的左侧圆角处,曲轴的总变形量在其两端较大、中间较小,最大为0. 067 815 mm,属于小变形;随着曲轴转角的增大,曲轴最大应力基本上先增大再减小,在180°转角时达到峰值;随着转角的增大,曲轴的总变形量有先逐渐减小后增大、再减小的趋势,在36°转角时取得最大值;最大应力和总变形量均随着连杆载荷的增加而增大,且呈线性关系。因此,在曲轴转动过程中,其危险点主要分布在曲轴颈的圆角处,连杆载荷对曲轴强度有重大影响。研究结果对压裂泵曲轴等关键部件的优化设计及动态性能研究具有重要意义。     

冻土区管道上浮屈曲临界载荷试验研究

进行了管道上浮屈曲模拟试验方法研究,制作了管道上浮屈曲临界载荷试验装置,模拟了多种影响管道上浮屈曲的因素,测试管道轴向屈曲临界载荷,为研究管道上浮屈曲临界载荷提供试验依据。初步试验结果表明,管道上浮屈曲临界轴向载荷随着管道外径的增大而增大,随土壤冻胀量的增大而减小,随着管道下方冻胀长度的增大先增大后减小。     

压扁阻断对聚乙烯燃气管道力学性能的影响

压扁阻断是基于聚乙烯(PE)管道良好的韧性而设计的专用管线施工及抢险维修技术，近年来得到了广泛的应用。但是不规范的压扁阻断会引起PE管道损伤，缩短其使用寿命，严重影响燃气管网的安全运行。为了创建安全高效的压扁阻断工艺流程、保证PE燃气管道的安全运行，采用实验室试验与有限元模拟相结合的方法，探究了压扁阻断对PE管道力学性能的影响规律，重点分析了挤压速度、管壁压缩率、挤压棒尺寸、管道和挤压棒之间摩擦系数等对管道最大应力和塑性应变的影响情况。研究结果表明：①压扁阻断后的PE管道耳朵处的弹性模量和屈服应力仅为初始值的17%和72%；②管道最大载荷、最大应力和最大塑性应变随挤压速度、管壁压缩率的增大而增大；③减小挤压棒尺寸虽然会降低最大挤压载荷，但却能明显增大管道最大应力和塑性应变；④降低管道和挤压棒之间的摩擦系数有利于减小管道最大应力和塑性应变。结论认为，压扁阻断会引起PE管道力学性能的衰退，建议给压扁阻断后的PE管道尤其是耳朵处施加必要的防护措施；同时，增大挤压工具尺寸、减小管道和挤压棒之间的摩擦系数，可以减小管道应力和塑性应变，有利于PE管道的安全运行。     

高真空多层绝热低温管道内管路波纹管应力非线性有限元分析

广泛用于LNG等输送的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常使用波纹管膨胀节来补偿其内管的冷缩变形,波纹管由于工作在深冷环境中且要承受液体内压,在实际使用过程中常出现断裂进而导致整个管道失效。为此,介绍了HV-MLI低温管道的基本结构,建立了波纹管有限元模型,在HV-MLI低温管道输送LNG、LO_2及LN_2的不同工况下对波纹管进行了应力非线性有限元计算,分析了轴向位移载荷及内压载荷分别作用下的波纹管响应状况,并结合国家标准GB/T 12777—2008对所用波纹管进行了强度及疲劳寿命校核。结果表明:(1)波纹管满足HV-MLI低温管道使用要求;(2)输送LN_2工况时波纹管等效应力最大,波纹管波峰内表面为危险点,此时可以考虑适当降低介质输送压力;(3)轴向位移载荷引起的波纹管子午向应力远超过材料的屈服极限,是引起波纹管疲劳损坏的主要因素,在管道设计及使用时应严格控制其数值。     

常规高压封隔器密封胶筒力学分析

介绍了封隔器的类型和密封原理,建立了常规高压封隔器密封胶筒的有限元分析模型,分析计算了不同轴向压力(50～100 kN)下胶筒的变形和应力变化情况.分析计算结果表明,最上面的胶筒承受的力最大,与实际情况完全吻合,为实际操作提供了理论依据.     

K型模型进架应变位移测试及计算分析

采用经纬仪观测位移和电阻应变片测量应力的方法，对Ｋ型模型井架的位移和应力进行了试验室测试；采用线性和几何非线性的计算机程序，对模型井架进行了有限元计算分析。测试和计算分析表明，井架承受垂直载荷时，除产生前倾变形外，还产生轻微的扭转变形。     

接管轴向载荷对内压圆筒强度性能的影响

采用有限元方法分析了接管轴向载荷对内压作用下开孔-接管区各个截面的弹性应力集中、应力分布以及结构的塑性极限内压的影响规律。分析结果表明,接管轴向载荷对内压圆筒弹性应力分布、内压承载能力有一定的影响,轴向载荷使横向截面最大应力出现的位置不断变化;轴向推力能减小应力集中系数和增强开孔-接管区的承载能力,轴向拉力能增大应力集中系数和降低开孔-接管区的承载能力。     

含体积型缺陷X80钢长距离输气管道安全评价

针对含体积型缺陷的X80钢长距离输气管道,利用有限元方法对含球形、椭球形和矩形槽缺陷的管道进行力学行为研究。基于含体积型缺陷X80管道的受力情况,利用WORKBENCH有限元软件进行了管内壁和外壁缺陷敏感性分析,结果表明,内压作用下内壁缺陷比外壁缺陷表现更为敏感。对比了不同形状体积型缺陷下的应力分布规律,结果表明,管道的应力集中主要在管道缺陷轴向部位,并且随着缺陷深度和轴向长度的增大应力明显增高。在此基础上分析了在塑性失效准则下含体积缺陷X80管道的极限承载,并将计算结果与PCORRC计算方法进行对比验证有限元结果的正确性。     

水平定向钻孔-管直径比研究

在水平定向钻孔管道穿越施工时,需要适当增大扩孔直径来减小管道所受约束,这就要求确定合理的孔-管直径比。选取钻孔出土弯曲段作为研究对象,利用有限元仿真计算不同孔-管直径比条件下的管道应力分布以及回拖力变化,分析孔-管直径比最优选择。计算结果表明,孔-管直径比大于1.4时,管道最大应力值明显下降;孔-管直径比超过1.5时,管道最大应力趋于平稳。回拖载荷随孔-管直径比的增大而减小,且在孔-管直径比达到1.4后降幅逐渐减小,此时孔-管直径比对回拖载荷的影响减弱。综合考虑,孔-管直径比在1.4~1.5之间为最优。     

洪水冲刷作用下悬空管道力学响应特性研究

长输管道常穿越河流湖泊等水文地域,在洪涝灾害频发地区,管道在洪水作用下可能发生弯曲折断等,从而造成严重事故。为研究在洪水作用下的管道力学行为,基于Morrison方程建立了洪水冲刷作用下的悬空管道数值模型,重点分析了典型影响因素对管道力学行为的影响。研究结果表明:管道悬空长度会明显影响管道的应力和轴向应变;悬空管道中部和端部均存在高应力区,但最大应力在管道端部,当悬空长度大于60 m,端部应力超过屈服极限;管道上下表面最大轴向应变都处于管道端部,且最大应变和最小应变关于管道中心近似呈中心对称;管道上表面受压,下表面受拉;管道应力和轴向应变随洪水速度和管道内压的增大而增大,随管道壁厚增大而减小。     

水泥环厚度和弹性模量对套管抗挤强度的影响

建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用有限元法分析了套管在水泥环作用下受到的均匀与非均匀外挤载荷的变形特征。分析表明，套管最大应力在套管内壁产生，均匀载荷下，增大弹性模量，减小水泥环厚度，保持水泥环厚度在10-20mm范围可以有效提高套管抗挤强度。非均匀载荷下，载荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷抗挤强度的5～8倍。非均匀载荷下，增大水泥环弹性模量和提高水泥环厚度可以减小套管内壁最大应力，提高套管抗挤强度。     

非黏结柔性立管骨架层摩擦损失研究

随着海洋油气资源不断开发,非黏结柔性立管的应用也越来越广泛。当水面上吊装柔性立管的船舶发生不规则运动时,连接在船舶下部的柔性立管会承受变化的轴向载荷。骨架层作为非黏结柔性立管最内层结构,由于其几何形状的特殊性,在外载荷作用下相邻表面会出现接触从而引起摩擦。鉴于此,针对骨架层螺旋带结构建立相应的骨架层力学计算模型,对骨架层施加变化的轴向力,借助ABAQUS有限元软件分析骨架层在变化轴向力作用下应力应变和不同情况下的摩擦损失。当摩擦因数在0.15~0.20区间内时,摩擦力做功最大;当摩擦因数大于0.25时,摩擦力做功随着摩擦因数的增加逐渐减小;对骨架层施加径向外压在5 MPa以内时,其外部压力变化对摩擦力做功没有太大影响;摩擦损失因子随着摩擦因数增大而逐渐增大,当摩擦因数大于0.20时,摩擦因数的变化对摩擦损失因子改变影响较小。研究结果可为骨架层端部失效及工程设计制造时的强度计算提供依据。