顶驱中心管强度有限元分析

中心管是顶驱的关键承载部件之一,其可靠性直接决定顶驱的工作性能。采用有限元法对中心管在额定栽荷和工作载荷2种工况下的应力、应变特性进行了研究,得出了中心管等效应力分布以及在各危险截面上定义路径的应力分布曲线。结果表明：在2种载荷工况下,中心管啮合螺纹具有承受载荷的能力,但前3牙和后4牙的齿根部应力过大,有可能发生粘扣和屈服破坏。     

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随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，深水隔水管强度分析的三维有限元力学模型，考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，使计算结果更加符合实际情况。深水钻井隔水管一般要承受复杂的三维载荷，即波浪力和海流不在一个受力平面上。文章还针对深水钻井隔水管的实际受力情况，重点研究了海底暗流对钻井隔水管强度的影响。并对弯曲载荷分布规律进行了计算分析。研究表明，而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大。在这些弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。暗流对海洋深水钻井隔水管的弯曲强度产生显著的影响，在进行隔水管强度设计及现场钻井作业中，应特别考虑暗流的存在及其对隔水管强度的影响。     

波流极值载荷作用下隔水管的非线性分析

应用ANSYS软件对波流极值载荷作用下的深水钻井隔水管进行了非线性分析。计入隔水管的大变形效应和管内泥浆的影响,计算了顶张力和钻井船偏移对深水钻井隔水管的受力和变形的影响。随着张力比增加,隔水管的横向变形、弯矩以及底部球铰转角均显著减小,同时隔水管的等效应力会整体增加。钻井船的偏移会显著增大隔水管的横向变形、底部球铰转角以及隔水管下部的弯矩。所以,控制好顶部张力和钻井船偏移对确保深海钻井顺利进行有十分重要的意义。     

顶驱中心管接头螺纹连接性能分析

顶驱中心管螺纹连接的可靠与否影响到钻井安全。采用有限元法对中心管在预紧和额定载荷2种工况下的应力应变特性进行了研究,得出中心管的等效应力分布及在各危险截面上定义的路径的应力分布曲线。结果表明,在2种载荷工况下,中心管各啮合螺纹仍然具有承受载荷的能力,但载荷分布的不均匀性对螺纹接头的连接性能有重要影响,部分螺牙的等效应力和接触压应力均较高,有可能导致粘扣或屈服破坏。     

无隔水管钻井液返回管线对接接头设计与分析

钻井液返回管线对接接头对无隔水管钻井技术具有重要意义,由于国内无隔水管钻井技术发展缓慢,钻井液返回管线对接接头的研发尚处于起步阶段。鉴于此,针对南海1 500 m作业水深无隔水管钻井系统,设计了钻井液返回管线对接接头;同时提出无隔水管钻井液返回管线张紧力计算公式,计算了返回管线对接接头的张紧力载荷,并利用ANSYS有限元分析软件分别从张紧力载荷与海流载荷2种受力工况进行对接接头的强度校核。分析结果表明:对接接头满足无隔水管钻井工艺要求,强度符合要求,结构安全可靠;随着钻井液密度的增大,返回管线内径越大,对接接头所承受的应力越大。所得结果可为无隔水管钻井技术关键设备的设计提供理论依据。     

HYDRIL环形防喷器壳体的有限元分析

用PRO/E Mechanical对FH35-70环形防喷器壳体建模,用ABAQUS有限元分析软件对其受力进行数值模拟。计算结果表明:在105MPa静水压力试验工况下,最大等效应力和最大位移都出现在防喷器壳体环形腔体的最上面区域;在70MPa额定工作压力工况下,最大的等效应力和最大位移也出现在同样位置,最大等效应力小于屈服极限,壳体安全系数为1.21,满足API规范设计要求。     

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随着海洋油气钻井向深水领域发展，钻井隔水管的受力越来越复杂，随着水深的增加，钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。为此，文章建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下，隔水管静态分析及动力学分析的三维有限元力学模型，在研究中，考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点，引入了非线性理论，因而计算结果更加符合实际情况。考虑了隔水管所受的三维载荷，对深水钻井隔水管的变形及载荷分布规律进行了计算分析。对于深水钻井隔水管，水下中间部位的变形最大；而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大，而现场隔水管失效事故也恰好证实了此研究结果，揭示了深水钻井隔水管失效的力学机理。在弯曲载荷大的位置，应特别注意隔水管的强度问题。文章还分析了风浪流速度、波浪周期、波高等重要的海洋环境载荷对隔水管变形及强度的影响。     

基于API标准的浮式平台塔形井架有限元计算

半潜式钻井平台的塔形井架承载大、高度高、工况恶劣,需重点校核其变形和应力。以某塔形井架结构及海洋环境数据为对象,建立井架有限元模型,采用API Spec 2C—2004规范确定井架的等效计算载荷,通过ANSYS软件模拟计算设计载荷作用下井架的变形位移及应力分布。结果表明,井架可满足正常作业工况下的强度要求;但在设计生存工况下井架的最大变形发生在井架顶端,达到30.28mm,最大应力发生在井架地脚与平台连接处,达到305 MPa,接近材料的屈服极限,需要引起高度关注。研究结果可为半潜式钻井平台井架设计计算与安全评定提供一定的参考。     

再沸器特殊结构分析计算及讨论

对一台有特殊壳腔结构的再沸器进行强度及稳定性分析,使用ANSYS计算分析该结构不同厚度在额定内压载荷下应力和位移变形量的变动趋势,讨论分析得出在该结构满足要求最佳的厚度组合;利用非线性屈曲分析计算出该结构承受外压的极限载荷,校核了实际外压工况,有效地解决了常规设计方法无法计算的问题。     

海洋钻井隔水管浮力块配置方法

浮力块是钻井隔水管系统的重要部件,能改善钻井隔水管的性能。但是如何配置浮力块,对隔水管张力器的张力、钻井隔水管在海洋深水条件下的应用等都有很大影响。目前国内外对于钻井隔水管浮力块配置方法的研究较少,因此,进一步研究其配置方法很有必要。首先,介绍了目前国内外海洋钻井隔水管浮力块配置的基本经验;然后,以我国南海某海域500 m水深为例,采用ABAQUS有限元软件,讨论了海洋钻井隔水管浮力块的配置方法,拟定了5种浮力块配置方案,并对其进行了详细的计算分析。结果表明:拟定的方案2和方案3为较优方案;与波浪力相比,海流力对隔水管动力学响应特性的影响更大;浮力块安装位置不同,对隔水管横向变形、等效应力、弯矩和底部柔性接头转角等力学响应的影响很大。建议:在适当位置配置厚壁隔水管以降低其局部等效应力;浮力块的安装位置应避开海流流速最大位置;研制钻井隔水管分析系统软件,实现多个有限元软件的联合调用,以提高分析效率和准确性。      

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。     

隔水管接头密封圈有限元分析

针对海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度增加导致钻井液压力急剧增大的问题,对隔水管接头密封展开研究。以隔水管接头主管和辅助管线密封圈为研究对象,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立其密封有限元模型,对密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况进行了分析研究。结果表明,随着工作压力的增加,主管和辅助管线密封圈的接触应力都相应增加,辅助管线密封的应力峰区位置随工作压力的变化而变化;随着工作压力的增加,密封圈的最大剪切应力增大。分析结果可为隔水管接头密封圈的优化设计提供参考。     

大型制氢转化炉辐射段管系结构应力分析与强度评定

以某炼油厂10万m3/h(标准工况)制氢转化炉辐射段管系为研究对象,采用ANSYS建立了转化炉辐射段的空间管系有限元模型,通过对转化炉结构冷态安装工况与热态操作工况的分析,得到了各部件的应力分布与变形情况,并通过局部结构子模型实体单元建模的方法,对入口总管与支管连接处的三通结构进行了详细分析,通过应力分类法对各部件进行了强度评定。     

便携式管道外对口器坡口矫正分析

为了解决复杂工况下管道对焊坡口的整形问题,运用ANSYS对双对称丝杠滑块机构的便携式管道外对口器进行有限元分析。分析了在一系列载荷作用下管道及对口器的变形情况和应力分布,结果表明,Ф325mm×8mm管道在8MPa载荷作用下发生塑性变形,此时对口器的等效应力强度远小于屈服应力,未发生塑性变形。该对口器的最大承重能力为24MPa,最大能够矫正椭圆度为2．6％的变形管道。     

海上钻井隔水导管极限承载力计算

为了更合理地确定隔水导管最小入泥深度,根据海底土的工程地质特征,结合岩土力学理论分析,建立了不同海底土层下的隔水导管极限承载力计算模型。根据隔水导管承载力计算模型,结合海上钻井隔水导管现场施工过程中不同的工况特征,建立了隔水导管最小下入深度计算模型。理论模型在渤海QHD32-6和SZ36-1油田进行了应用,得出了隔水导管底部承载力随入泥深度的变化曲线,进一步确定出隔水导管的最小入泥深度,计算结果与实际情况比较符合。研究成果将为海上隔水导管最小入泥深度的选择提供技术帮助。     

深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析

波激疲劳是深水钻井隔水管-导管系统最主要的失效模式之一。综合考虑波浪载荷、钻井平台运动和土壤抗力建立了深水钻井隔水管-导管耦合系统波激疲劳分析方法,实例分析了中国南海某井深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳寿命,识别出了系统波激疲劳关键部位,并与隔水管常规分析模型的计算结果进行了对比。在此基础上,研究了钻井平台运动幅值、顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度对系统波激疲劳特性的影响。结果表明,常规分析模型将隔水管底部看作固定端导致隔水管波激疲劳损伤过大,而本文提出的隔水管-导管系统分析模型能较好地模拟隔水管实际受力情况;隔水管最大波激疲劳损伤出现在下挠性接头处,导管的最大波激疲劳损伤出现在泥线附近;导管是整个系统中波激疲劳性能最薄弱的环节,适当地减小钻井平台运动幅值、隔水管顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度均能改善导管波激疲劳性能。     

隔水管接头O形密封圈密封性能分析

针对海洋石油开采中隔水管接头密封失效会增加大量的钻井成本,钻井液泄漏会污染海洋环境等问题,开展了隔水管接头O形密封圈密封性能的研究,确定了O形密封圈密封失效模式和失效判据。以隔水管O形密封圈为研究对象,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立其有限元分析模型,对密封圈在不同工作压力、不同压缩率和不同密封端面角度下的密封性能进行了分析。分析结果表明,压缩率一定时,最大应力随着工作压力的增加而增加,且应力峰区位置逐渐向O形圈被挤入的位置移动;工作压力、压缩率及密封配合端面角度对O形圈最大接触应力有一定的影响,正常使用范围内,能够保证O形圈的正常密封性能;一定在压缩率范围内,剪应力随着压缩率的增加而增大明显。分析结果可以为隔水管接头O形密封圈的优化设计提供参考。     

深海悬链线立管分段安全评估方法与应用

深海悬链线立管在运行过程中受到载荷、管道腐蚀、第三方破坏等因素的影响,容易发生失效.由于立管长达千米,不同部位立管的安全状态不相同.从统计资料出发,结合近年来的试验研究和数值研究成果,提出将立管分段,对各管段按照破坏原因不同分别进行安全评估.最后采用专家评分法和模糊数学对立管各管段失效概率定量分析,得知导致立管各管段破坏的主要因素不同,各管段的失效概率也不同,表明立管的分段安全评估具有实际意义.     

工况对管道凹陷形成及管道安全性的影响

基于X70管道和刚性压头模拟管道外壁与硬物挤压或碰撞形成凹陷的过程,建立对象接触、外载荷加载、外载荷卸载有限元分析模型,将内压、外载荷的加载、卸载按照特定顺序组合构成影响管道凹陷状态的3种工况,研究3种工况下凹陷对管道应力、凹陷回弹及极限承载力能力的影响规律。研究结果表明,工况1、工况2下的最大等效应力发生在凹陷加载阶段,工况3下的最大等效应力发生在内压加载阶段。工况1下的凹陷回弹系数为0.403,工况2和工况3下的分别为0.45和0.759。工况2下管道极限承载力受凹陷深度影响最严重,工况3下管道极限承载能力受凹陷深度影响最小。