海洋生产立管接头特殊螺纹有限元分析

为了适应海洋水下生产立管的苛刻工况,设计了一种顶端张紧式生产立管螺纹接头,并采用有限元接触分析模型对该接头进行了相关的力学分析。通过Abaqus有限元软件计算对比了接箍螺纹与管体强度,模拟立管的上扣过程,计算最佳上扣扭矩,研究了该模型在上扣扭矩、上扣和内压、上扣和拉伸、上扣和拉伸及内压四种载荷下的密封性能。有限元分析结果表明,密封面接触压力随内压的增加而增加,单轴拉伸载荷使得密封面的接触压力有所减小,拉伸载荷和内压共同作用时密封面上的接触压力呈增加趋势,但是增加的幅度要比仅受内压作用时小。该海洋生产立管特殊螺纹的强度优于管体,密封性能可靠,满足设计要求。     

内衬双金属复合管紧密度测量及影响因素

介绍了双金属内衬复合管的成型工艺及主要成型方法,分析了双金属复合管在液压成型后,内、外层钢管的受力状态。根据变形协调条件,得出复合管内外层残余接触压力与残余接触应力的正相关关系式。依据滑动摩擦原理,提出了通过测量内外层间的推脱力,替代API SPEC5LD推荐的测量残余接触应力计算紧密度的方法。最后分析了紧密度的影响因素,即紧密度的大小受复合管成型液压压力、后续涂敷温度和现场试压压力的影响。     

横力弯矩作用下周向裂纹管的塑性极限载荷

目前对承受弯矩的裂纹管道的塑性极限载荷的研究一般都只限于纯弯矩 ,而工程实际中承受弯矩载荷的管道大部分是横力弯矩 ,截面上同时存在正应力和剪应力 ,尤其是管道的跨度较短 ,所受的横向力较大时 ,剪应力对管道的极限承载能力有较大的影响。基于以上考虑 ,建立了含周向裂纹管道在横力弯矩组合载荷作用下的塑性极限分析模型 ,推导了包含埋藏裂纹、内表面裂纹、外表面裂纹和穿透裂纹等不同裂纹形式在拉力、横向力及内压作用下的极限载荷计算公式 ,计算公式可用于周向裂纹管道在各种载荷条件下的安全可靠性评估     

牵引法制备双金属复合管的锥头尺度对界面结合强度的影响

为了进一步研究双金属复合管在机械牵引法生产加工过程中的受力和变形状况,从双金属复合管受力分析角度,以平面应变假定和理想弹塑性为材料模型,通过对双金属复合管成型过程进行简化分析,选择牵引法制备双金属复合管,认为其胀形过程是由锥度实施的,因此,锥头尺度对界面结合强度有着直接的影响。研究了牵引法制备双金属复合管的锥头尺度对界面结合强度影响的规律,预测结果与试验结果对比表明,建立的试验预测模型能够给出较好的预测结果。     

L形高真空多层绝热低温管道热-结构耦合分析

用于输送LNG等低温介质的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常处于深冷环境且要承受流体内压,在热-结构耦合作用下的受力较为复杂。为了研究HV-MLI低温管道各部件在复杂载荷作用下的响应状况,以某水平—竖直走向的L形HV-MLI低温管道为例,建立了热-结构耦合分析有限元模型,计算得出了不同工况下的管道温度场分布情况,以及管道中内管、外管、热桥、波纹管和绝热支撑上的应力及应力随各载荷的变化关系。分析结果表明:(1)绝热支撑和热桥是影响管道漏热量的主要部件,以输送LN_2为例,通过上述两个部件的漏热量分别占管道总漏热量的49.07%和49.32%;(2)内管、外管、弯头及热桥等部件应力较小且低于材料屈服极限,实际使用过程中不易发生危险;(3)波纹管应力随输送介质温度的降低和补偿内管长度的增加而增大,水平管段波纹管的应力较高,是管道中的危险部件;(4)内管所受内压是影响绝热支撑应力的主要因素,随内管内压的增大,水平管段与竖直管段中离弯头最近的绝热支撑应力大幅增加,而远离弯头的其他位置处的绝热支撑应力变化不大,因而可适当增加离弯头最近的绝热支撑厚度,同时减少远离弯头处支撑的厚度,以便在保证强度的同时减少漏热量。     

双金属复合管液压成型的有限元模拟及残余接触压力计算

应用有限元通用软件ABAQUS,对双金属复合管塑性成型过程中的力学行为进行弹塑性分析,建立了不同材料复合管胀管压力与残余接触压力之间的对应关系。通过有限元模拟,得出不同材料在间隙消除阶段的最小成型胀管压力,外管弹性极限胀管压力及接触压力、外管刚发生屈服时的胀管压力和接触压力以及外管完全发生塑性变形的极限胀管压力和接触压力,卸载后的残余接触压力。结果表明,当外管材料为X65C时,内外管卸载后残余接触压力为0,当外管材料为L360QS时,卸载后内外管残余接触压力为3.495 MPa,并且胀管压力处于弹性极限胀管压力49.78 MPa和塑性极限胀管压力54.6 MPa时,外管将出现塑性变形,在胀接时,必须控制胀管压力小于塑性极限胀管压力,否则,外管将出现塑性流动,这是不允许的。     

双层整体式PLET舷侧安装分析

为便于深水双层整体式管道终端(Pipeline End Termination, PLET)的安装设计,以海洋石油201船的舷侧下放装置和南海某项目为基础,研究双层整体式PLET舷侧安装的悬挂和下放两个关键阶段的安装分析模型和主要参数。对比悬挂分析等效单层管模型与双层管模型,结果表明此2种建模方法均适用。双层管模型相关接触参数(接触刚度、接触面积、锚固件位置)对海底管道受力影响较小且能输出内外管接触载荷,较适用于安装设计。在下放过程中,管道载荷对PLET的重心位置和附加质量水动力系数较为敏感,在安装设计中需关注。     

热采井中偏梯形套管螺纹有限元分析

采用有限元方法分析了热采井中的偏梯形套管螺纹接头在不同载荷工况下的力学特性。结果认为,套管在承受轴向拉伸载荷的工况下,最大等效应力的发生区域集中在套管螺纹和接箍螺纹的两端;在套管温度升至300℃的工况下,螺纹接头已发生塑性屈服,并且塑性区域有从接头两端向接头中部发展的趋势;套管温度降至地层原始温度30℃的工况下,塑性屈服区域减小,仅局限在接头两端。在轴向拉伸载荷的工况下,最大接触压力发生在套管螺纹的第1圈,并且每圈上的接触压力分布并不是均匀的;高温载荷下,螺纹间的接触压力值和接触位置发生了改变;恢复至初始温度时,套管螺纹接触面上的接触压力增大。     

304不锈钢管道环焊缝热力耦合有限元模拟

 为合理控制304不锈钢管道环焊缝焊接残余应力,运用有限元软件ABAQUS建立二维轴对称壳单元模型,模拟管道环形焊缝的焊接过程,获取了304不锈钢管道环焊缝温度场和应力场的分布规律。在焊件上表面提取了特征点的热循环曲线,同时获取了焊接过程中焊接接头径向某一截面特征点同一时刻的温度场分布特征。对管道环形焊缝内外表面残余应力的分布规律研究表明,管道焊缝及靠近焊缝区,内表面的轴向残余应力是拉应力,外表面的轴向残余应力是压应力;内外表面的横向残余应力都是拉应力,而径向残余应力主要是压应力,上表面的余高两侧热影响区受到少许拉应力作用。     

双金属复合管复合模型有限元分析

运用“缩径法”思路制造双金属复合管,通过SolidWorks软件建立复合管复合模型,并通过SolidWorks Simulation 模块进行有限元分析,通过复合管的内、外管应力分析和管壁接触应力分析,最终得出采用“缩径法”理论可以成功复合双金属复合管;复合过程伴随着钢管壁厚增加,且缩颈率越大壁厚增加越大。     

外连接预应力隔热管改进及受力分析

针对外连接预应力隔热管的接箍处热损失较大的问题,提出了3种改进措施,即,安装接箍密封器、改进内外管焊接位置及使用隔热接箍。在考虑内外管变形协调和温差影响的基础上,推导了隔热管受力分析数学模型。模拟分析表明:装配应力和内管拉伸回缩量随内管装配拉伸量增加而增加,热伸长量随内外管温度的升高而增加; 在内管温度不变的条件下,内管随外管温度的升高逐步由压应力转变为拉应力,外管逐步由拉应力转变为压应力; 在内管温度不变的条件下,外管Mises应力随外管温度和内管装配拉伸量的增加而降低,内管Mises应力随外管温度升高而降低、随内管装配拉伸量的增加先降低后增加。分析结果与现场实际符合。建立的受力分析模型可用于现场隔热管柱受力分析,并确定内管的合理装配拉伸量,以提高隔热管的使用安全性和寿命。     

径向井钻杆转向阻力建模及实验分析

径向井钻杆的转向是承受内压曲杆反复弹塑性弯曲过程。由于系统的非保守性 ,其匀速钻进状态也不能应用静力平衡方程。将钻杆的运动态作为静止稳定状态的失稳 ,运用线性小位移理论 ,求解钻杆保持静止状态的条件 ,建立了钻杆发生运动的极限载荷、曲率突变点阻力等模型。根据径向井钻杆载荷的边界条件 ,提出了径向井钻杆转向过程中存在临界载荷系数的论断 ,求得了常用径向井转向器的临界载荷系数。计算结果与实验进行了对比分析 ,对径向井现场试验中表现出的钻杆遇阻现象给出了可信的解释。     

热塑性复合柔性管力学模型与铺层角度研究

热塑性复合材料柔性管(TCP)以其强度高、质量轻及耐腐蚀等优势逐渐成为传统钢制管道的替代品。TCP管的截面结构从内到外主要分为3层:内衬层、增强层和外保护层,通过热熔工艺粘合在一起形成完全粘结的实壁管道。研究了TCP管在多种载荷组合作用下的力学行为,建立了基于三维各向异性弹性理论的多层管结构的应力应变求解公式,并通过有限元仿真软件ABAQUS验证了理论公式的准确性。针对TCP作为井下连续管的应用工况,利用三维Tsai-Wu失效因子表征管道增强层各层的失效程度,对比了5组不同的铺层角度组合,研究了0°和90°铺层角度对管道承受较大拉伸载荷和内压载荷组合的影响。研究结果表明,增加0°铺层角度可以提高TCP管的轴向强度,同时减小面内剪切力,可以有效提高TCP连续管的承载性能。研究结果可为热塑性复合材料柔性管生产提供参考。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。     

水下套管悬挂器螺纹连接强度分析

为保证油田的正常钻采作业,分析了水下套管悬挂器螺纹的连接强度。结果表明,套管悬挂器与套管螺纹连接组合中,最大应力出现在螺纹最后1扣,此处最容易发生屈服;内压对螺纹连接强度有较大影响,一定的内压值可以提高螺纹连接的强度;内压为20MPa时,套管挂与套管螺纹等效应力最大;内压大于20MPa时,内压对等效应力的影响有逐渐降低的趋势;随着压力等级的递增,套管螺纹等效应力在整个螺纹段更加均匀。     

海洋双金属复合管的冲击载荷响应

针对锚击等第三方威胁对双金属复合管产生外部冲击的问题,通过数值模拟仿真研究承受外部冲击载荷的双金属复合管的结构响应,分析不同落锚速度、冲击方向、管道运行状况、运行压力、锚质量对双金属复合管性能的影响。结果表明：管道凹陷损伤随落锚速度和锚质量的增加而增大,基衬分离程度随冲击方向呈现出不同的响应;垂直于管道轴线方向的冲击会造成最严重的损伤,但基衬分离程度最小;管道内压越大,管道的凹陷损伤越小,基衬分离程度越小;空管状况下管道受到的损伤最大,基衬分离程度最大。     

HFW焊管滚槽加工对焊缝开裂的影响

为了研究HFW焊管滚槽加工中焊缝区域开裂的原因,基于热-力顺序耦合、显示动力学的理论,利用ABAQUS有限元模拟分析软件,建立焊接与滚槽工艺模型,分析了加工工艺对滚槽开裂的影响,并通过试验验证了模型的准确性。研究表明:进行滚压加工中,焊缝处的焊接残余应力会影响滚压最大压力以及最大切向应力值;在总下压量一定时,滚压圈数大于6圈,焊缝处所受滚压压力以及最大切向应力趋于稳定且小于材料抗拉强度;均匀下压时,焊缝处所受滚压压力和最大切向应力最小;滚压初位置在母材区域时,焊缝处所受滚压压力和最大切向应力最小。     

油管与套管抗内压强度研究

在深井、超深井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患.文中针对API 5C3模型已不能准确预测套管实际抗内压强度的问题,研究了材料的屈强比对油、套管爆裂强度的影响规律,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型.结果表明,该模型计算出的油管套...     

螺旋缝埋弧焊管的水压和稳压试验及残余应力

对外径 660mm、壁厚 7 1mm国产内胀成形X60钢级螺旋缝埋弧焊管的未水压、水压后和稳压后 3种管段样品 ,用机械切割应力释放法进行了内外表面残余应力的测试。试验结果分析表明 ,油气输送管出厂前的水压试验以及油气管道施工完毕后的稳压试验均会使螺旋缝埋弧焊管内外表面总体残余应力分布趋于均匀 ,并且明显降低内表面残余应力 ,特别是对呈残余拉应力的焊缝区域作用更大。研究分析认为 ,把我国螺旋缝埋弧焊管水压试验压力从 0 9SMYS提高到1 0SMYS ,甚至接近焊管屈服强度 ,可消除或降低螺旋缝埋弧焊管有害的残余拉应力。     

夹层管卷筒式安装缠绕和校直阶段力学行为分析

兼具抗压与保温功能的夹层保温管道是深水油气输运潜在的理想解决方案,但卷筒式安装导致的残余应力和塑性变形则是影响其承载能力的重要因素之一。为了分析夹层管卷筒式安装缠绕和校直过程导致的残余应力和塑性变形的变化规律,建立了海洋深水夹层管卷筒式安装的数值模型,并利用室内全尺寸实验结果验证该模型的准确性;利用该有限元模型,分析了深水夹层管卷筒式安装过程中应力—应变变化规律、夹层管截面椭圆度变化情况以及安装校直后夹层管等效塑性应变的累积情况;通过参数分析讨论了夹层管的钢管厚度和层间黏结属性对夹层管卷筒式安装力学行为的影响情况。研究结果表明：①基于所建立的夹层管卷筒式安装数值分析模型求得的夹层管缠绕和校直阶段的塑性应变,与实验结果的误差分别为0.7%和0.5%,证明该模型可以满足计算精度的要求;②在夹层管缠绕和校直过程中,夹层管层间接触属性对于轴向塑性应变和周向塑性应变影响均较小;③夹层管钢管厚度对于夹层管轴向塑性应变的影响较小,但其对外层钢管周向塑性应变的影响却较为明显;④校直过程显著影响夹层管道椭圆度,影响程度随着外层钢管壁厚的增加而增大,同时卷筒式安装过程产生一定程度的塑性应变累积,将影响夹层管的承载能力。结论认为,所建立的数值模型可用于夹层管卷筒式安装力学行为分析,为考虑安装缺陷影响的夹层管承载能力计算提供了技术支持。