基于非线性环理论的管道上卷弯曲屈曲分析

基于非线性环理论和虚功原理,建立了管道截面应力和应变之间的平衡方程,并通过迭代法对方程进行求解,得到了弯曲过程中管道变形及弯矩。以0.168 0 m(6英寸)管道为例进行了分析,并将理论值与试验和仿真结果进行了比较,其误差在施工允许范围内,验证了本文方法的正确性。采用本文方法对0.406 4 m(16英寸)管道上卷屈曲影响因素进行了研究,结果表明:径厚比越小,管道的弯矩承载能力和抗扁化能力越强;硬化指数越大、屈服强度越小,管道的抗扁化能力越强;硬化指数对弯矩承载能力影响较小,屈服强度直接影响管道弯矩承载能力;弹性回弹降低了管道的椭圆度。     

泡沫清管器在海底管道中的清洁能力分析

椭圆化后的海底管道可能会减小与清管器的接触面积而影响密封效果,进而影响清洁效果。为分析泡沫清管器在海底管道中的清洁能力,以泡沫清管器清洁海底管道为研究对象,从接触应力和接触面积角度衡量清洁能力,利用ANSYS软件分析管道椭圆度、清管器过盈量及管壁摩擦等因素对清洁能力的影响。分析结果表明:同一清管器在清洁不同海底管道时,接触应力会随管道椭圆度的增大而减小,并且椭圆度较大的管道可能会与小过盈量的清管器接触不完全而影响清洁效果;摩擦使接触应力分布不均匀,且摩擦越严重,应力分布越不均匀;接触应力随清管器过盈量增大呈线性增大,接触面积也会随过盈量增大而增大并趋于稳定。所得结论可为泡沫清管器的现场应用提供参考。     

基于卷管铺设的管道椭圆度损伤参数研究

卷管铺设过程中管道会发生数次弯曲,产生往复的塑性变形,导致管道产生很大的截面椭圆度损伤,大大降低管道的屈服承载能力。基于有限元软件ABAQUS中的Standard模块建立了管道的上卷和退卷模型,模拟了卷管铺设中管道的上卷-退卷-校准和校直过程,研究了卷管铺设时无缺陷管道的外径、厚径比和钢材级别对管道椭圆度损伤的影响。研究结果表明,当厚径比相同时,管道外径越大,管道的椭圆度损伤越大;当管径相同时,管道厚径比越大,管道的椭圆度损伤越大;钢材级别对管道椭圆度损伤影响很小。研究结果可为卷管式铺管法的现场应用提供参考。     

柔性立管内部骨架层径向承载能力计算研究

骨架层作为非粘接柔性立管的最内层结构,其主要失效形式是径向压溃。为了探讨骨架层的径向承载能力,以铁木辛柯弹性稳定理论为基础,通过模型简化及刚度等效方法,建立了非粘接柔性立管骨架层的理论模型,求得其在静水压力作用下的临界压溃值。针对理论模型无法计入层间接触、材料非线性及初始椭圆度等因素,利用ABAQUS建立骨架层的三维有限元数值模型,分析了骨架层的材料非线性和初始椭圆度对骨架层径向失效的影响。分析结果表明:材料非线性会较大幅度地降低骨架层的临界压溃值;随着初始椭圆度的增大,骨架层临界压溃值减小。利用多层厚壁圆筒模型计算出骨架层在不同初始椭圆度下,考虑材料非线性柔性立管所能下放铺设的适用水深,实现了其工程应用。所得结果可为柔性立管的安全使用提供参考。     

海洋管道沉放过程力学计算及方案分析

基于海洋管道沉放的工程实际,建立了管道海上对接沉放的计算模型。确定了不同的沉放方案,并对不同方案的管道沉放形态、弯矩及应力进行对比分析。分析结果表明,沉放过程中管道应力变化复杂,吊缆释放的不协调极易导致出现局部应力峰值;管道沉放完成后的最终形态和弯矩分布对沉放过程十分敏感,沉放方案微小的差别会导致截然不同的沉放结果。在管道下放初期,应以工程船的侧移为主,均匀的下放策略将导致管道水平面内变形较小,曲率过大,从而造成弯矩增加;在侧移后期,应稍微减慢吊缆2的下放速度,这样可以使上弯曲管道的变形曲率减小,避免最大弯矩发生在对接口处;工程船侧移距离不宜过小,太小的侧移距离会导致管道偏移长度减小,从而增大对接口和下弯区管道的变形曲率,导致对应的弯矩增加。     

基于KT模型的椭圆度对套管抗挤强度的影响

椭圆度会降低套管的抗挤强度,但对其影响程度及规律并未得到统一认识。文中以考虑因素较为全面的KT抗挤强度计算模型为基础,建立了椭圆度与套管抗挤强度关系模型。研究结果认为:套管的抗挤强度随椭圆度的增大而降低,但降低趋势逐渐变缓;套管的抗挤强度降低值随径厚比(D/t)的增大呈先增大后减小的趋势,存在一个临界D/t值,可使椭圆形套管的抗挤强度降低值最大;钢级越高,椭圆形套管的抗挤强度降低值最大的临界D/t值越小。文中较为全面地揭示了椭圆度对套管抗挤强度的影响程度及规律,进一步深化了椭圆度对套管抗挤强度影响的认识。     

气囊搬管法搬管过程的动力学分析

在海底管道铺设、维修过程中,通常采用船舶搬管法对出现管道偏离原设计路由的情况进行纠偏,但困难大,风险高,为此提出了一种新的利用气囊进行搬管的方法。结合某海域具体海况,运用OrcaFlex建立了气囊搬管过程的动力学分析模型并进行计算。结果表明,气囊安装位置的管道弯矩、张力都会有一定骤变;离管道牵引端较近位置的管道张力比较大,管道中间位置张力变化不大,离管道固定端较近位置的管道张力比较小。0°波浪方向或180°海流方向管道的弯矩最大;最大弯矩位于沿管道长度方向300 m处;波浪和海流方向对管道最大弯矩的影响相比于气囊安装位置以及气囊浮力的影响要小。     

裂纹损伤管道振动功率流特性的实验研究

设计了无限长裂纹损伤管道的实验模型和装置,分别对无损伤管道和含有环向裂纹损伤管道的输入功率流进行了测量,并与理论计算值进行了对比.结果表明,对于无损伤管道和损伤管道,输入功率流的实验测量结果和理论值均吻合较好.实验研究验证了理论模型和分析结果的正确性,为用振动功率流方法识别管道结构中的裂纹损伤提供了理论基础.     

含腐蚀凹坑缺陷管道的极限载荷研究

腐蚀凹坑是石油与天然气输送及石化管道常见的缺陷之一 ,会使管道产生应力集中 ,抗疲劳载荷能力降低。为寻求腐蚀球形凹坑对压力管道极限载荷的影响 ,用有限元弹塑性分析法和试验方法 ,对含腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道进行研究 ,得到了含不同球形腐蚀凹坑缺陷压力管道在内压和弯矩联合作用下的极限载荷。试验研究证明 ,在内压和外弯矩作用下 ,腐蚀球形凹坑底部应变值最大 ,并首先屈服 ,试验测定载荷 -应变曲线与有限元计算的基本一致 ,最大误差为 7 3 2 %。腐蚀凹坑半径相同时 ,管道的极限载荷随凹坑深度的增加而降低 ;而凹坑深度相同时 ,极限载荷随凹坑半径的加大而降低。     

深水水上防喷器钻井系统水下井口稳定性分析

采用水上防喷器(SBOP)系统进行深水钻井可以大大降低作业成本,但在SBOP系统的应用中还有许多问题需要探讨.建立了深水水上防喷器钻井系统水下井口稳定性分析模型并进行了分析,结果表明:采用水上防喷器系统,导管下入深度可以比常规隔水管系统浅,且导管直径越大水下井口的稳定性越好;大尺寸隔水管会导致水下井口产生较大的横向偏移和弯矩;随着水深的增加,水下井口的横向偏移和弯矩值逐渐增大;水下井口的横向偏移和弯矩值随着钻井平台漂移量的增大而线性增加,并且随着隔水管顶张力的提高而逐渐增大.     

深海卷管铺设中的管道安全性分析

深海卷管铺设过程中管道发生了复杂的塑性变形,可能造成管道的失效,因此需要对管道的安全性进行评估。为此,首先对卷管铺设整个过程中管道的受力变形情况进行了分析,发现管道在上卷至卷筒时最易发生失效。其次对上卷时管道可能发生的失效形式进行了归纳和分析,获得了管道在各种失效形式下的极限承载公式。然后基于位移控制条件,得到了管道的极限弯曲半径,并结合极限承载公式,建立了管道失效的评价指标。最后以管径为16英寸（406.4 mm）的管道为实例,对管道的安全性进行评估,并采用有限元软件对管道上卷时张力对管道椭圆度的影响进行了分析。结果表明：①较大径厚比的管道在上卷时更易于满足极限载荷承载条件,但是对管道截面变形不利,当径厚比达到20时,不满足位移控制条件,已不适用于卷管法铺设;②较高的管材等级对卷管铺设中管道安全性有利;③上卷张力对管道椭圆度的影响较小,可以忽略。     

全自动焊含缺陷环焊缝管段承载能力研究

为了研究全自动焊在役管线的真实承压能力,通过水压爆破试验对全自动焊含缺陷环焊缝在役管段的承载能力进行研究。研究结果表明,全自动焊焊接工艺下环焊缝缺陷主要是未熔合缺陷,且3种含未熔合缺陷管段起爆点、爆破压力、撕裂方向大致相同;含3种未熔合缺陷环焊缝管段的真实爆破压力均大于爆破压力的理论计算值,远远满足现场运行所需要的承载能力;含缺陷环焊缝的存在并没有对在役管段的整体承载能力造成影响;管段的承载能力主要取决于母材自身的材料性能。     

考虑溜桩效应的单桩基础承载特性数值模拟

为分析竖向和水平载荷作用下溜桩对钢管桩承载特性的影响规律,基于理论分析得到的溜桩区间数据,建立考虑溜桩效应的桩-土数值模型。结果显示：当单桩受到竖向载荷时,溜桩减小桩侧摩阻力,溜桩对钢管桩竖向承载力的影响较为显著;当单桩受到水平载荷时,溜桩条件下钢管桩弯矩大于无溜桩条件下的弯矩,说明发生溜桩会导致钢管桩产生更严重的弯曲变形;溜桩条件下的极限土抗力小于无溜桩情况。     

石油化工装置管法兰的泄漏分析

从石油化工装置管法兰的密封机理出发,分别对造成高温和低温管法兰泄漏的原因进行了分析,指出高温法兰泄漏的原因之一是法兰承受过高的轴向拉力和弯矩;低温管道的泄漏最常见的原因是管道安装的附加载荷引起螺栓屈服失效。提出了在设计与安装中预防管道泄漏的措施。     

钢质环氧套筒轴向修复效果研究

为了研究钢质环氧套筒对于含缺陷油气管道的轴向修复效果,对X52钢级Φ508 mm×9.5 mm含缺陷螺旋埋弧焊管的钢质环氧套筒修复结构开展了全尺寸轴向拉伸试验,通过应变监测及理论计算分析钢质套筒与管体的应力分布情况。结果显示,修复后的管体最大轴向拉力为3 854 kN,约为无缺陷钢管理论轴向承载力的50%;失效位置位于缺陷最深处,失效时,管体无缺陷处尚未进入屈服阶段;在纯拉伸作用下,钢质套筒承担的轴向载荷仅占总载荷24.5%。研究结果表明,钢质环氧套筒对于管道轴向应力修复效果有限,不建议采用钢质环氧套筒作为环焊缝或管体环向缺陷的修复手段。     

径向水平井弯曲转向机构影响因素仿真研究

针对径向水平井钻进中钻杆弯曲转向前进运动困难的问题,通过建立弯曲转向机构仿真有限元模型,对其主要影响因素:滑道轨迹曲率、间隙、工作压力、滚轮形状与位置和钻杆壁厚等用ANSYS软件进行仿真研究。研究表明:影响截面变形的主要因素是滑道曲率的改变和滑道摩擦因数,钻井失败时钻杆所受阻力的增大不是因为升高工作压力导致截面变形过大与滑道干涉所致,钻杆经校直段,钻头中轴线与校直中心线存在一定的角度,即钻杆的前进轨迹就会偏离理论值,或与地层干涉,或可能再次发生弯曲变形;另一主要原因是转向器滑道工作恶化。增加钻杆壁厚,降低工作压力和滑道摩擦因数,设计合理弯曲转向机构是解决问题的关键。     

径向井钻杆截面变形的三维有限元仿真

径向井是一种新型高效的原油开采技术。径向井钻杆的截面变形与圆管塑性弯曲成型、圆管截面弯曲稳定性有一定的联系,但研究问题的出发点不同,使得这些研究所采用的模型、实验设备并不能直接用于研究径向井钻杆弯曲时的截面变形。文中将三维有限元法用于研究径向井钻杆的截面变形,验证了平截面假设的适用性及变形后断面形状的椭圆性。仿真结果显示,钻杆弯曲时其截面的长、短轴的变化是独立的;截面周长随曲率增大呈线性增加。特别是短轴的变化,随载荷值改变呈现出不同的变化趋势。该结果为选取钻杆最佳转向曲率、制定钻进工艺参数提供了依据。仿真结果与实验情况相吻合。     

基于CEL方法的管道内检测器过弯机理分析

针对管道内检测器在管道内运行的通过性问题,采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法,建立了管道内检测器运行的流-固耦合有限元模型,同时采用Mooney-RivLin模型描述皮碗超弹性、非线性行为。研究了双舱段管道内检测器通过弯管道时的复杂力学行为,探索了管道内检测器通过性的动力学响应规律。分析了双节管道内检测器在曲率半径1.5D及3D弯管内的运行情况,同时分析了双舱段管道检测器在管道运行过程中,万向节长度对检测器管内运行角度的影响规律。结果表明:随着万向节设计长度的增加,检测器的轴线夹角最大值呈现先增大后减小的趋势;且在运行过程中,检测器通过的管道曲率越小,万向节角度波动峰值越大,波动的变化率越大。因此,合理设计万向节长度,对检测器运行状态以及检测设备的稳定性具有重要的影响。     

深水钻井水下井口力学稳定性分析

深水钻井时水下井口承受的复杂作用力可能导致其稳定性存在问题。根据深水钻井水下井口系统整体受力分析，建立了井口力学稳定性分析方法，该方法综合考虑了海洋环境载荷、钻井船或平台漂移、隔水管力学性能、套管柱与地层之间的非线性响应等因素的影响，可以实现井口力学性能分析。算例分析表明，水下井口的横向偏移及弯矩随张力比和海流流速的增加而大幅增大，顶张力过大会引起井口稳定性变差；随着钻井船或平台漂移量的增加，井口的横向偏移和弯矩近似线性增加，控制好钻井船或平台的漂移非常重要；由于井口承受弯矩的能力有限，较大海流流速情况下可能造成井口失稳；提高导管抗弯强度、控制泥线处管柱冲刷、获取浅部地层的取样数据等措施可以增强井口稳定性。     

D 1422mm的X80管线钢管冷弯试验结果与性能分析

文章阐述了D1422mm的X80冷弯管外观尺寸和力学性能试验结果。研究表明,外观尺寸试验中椭圆度最大位置靠近弯管中心,椭圆度为2.61%。外弧侧壁厚减薄率最大和内弧侧壁厚减薄率最小位置位于测点中心位置,波浪度最大位置靠近弯管段中心,其波浪度为0.27%。拉伸性能试验中弯管段内弧侧纵向屈服强度不满足要求,纵向弯曲段外弧侧屈强比不满足要求,这是因为在弯曲过程中产生了包申格效应,其对纵向的影响比较大,使得内弧侧屈服强度和抗拉强度都降低,而对外弧侧则相反,但是对横向拉伸性能的影响较小。直管段中性区和外弧侧屈服强度有个别不满足要求,是因为存在一定的离散性。文章提出以下建议:在冷弯过程中可以在内部设置一个直径略大于弯管内径的芯轴,相当于添加一个反向应力,这样在冷弯后可以减少中间位置变形量;曲率半径一般要求在30D即可。