基于ABAQUS的隔水导管横向变形与弯矩分析

段宪文，朱宏武，胡 飚，邝斌全，姜汉一

基于ABAQUS的隔水导管横向变形与弯矩分析

段宪文，朱宏武，胡 飚，邝斌全，姜汉一

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京，102249）

隔水导管在恶劣的海况条件下，局部会产生较大的横向变形与弯矩。基于ABAQUS有限元软件分析了海风、海流及波浪对隔水导管横向变形与弯矩的影响。结果表明：隔水导管横向变形与弯矩几乎不随风速的增加而发生变化；随着海流速度的增加，隔水导管横向变形与弯矩增大，最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，最大弯矩处于隔水导管的1／3处；随着浪高的增加，隔水导管上部分的横向变形与弯矩随之增大，下部分的横向变形与弯矩呈先增大后减小的趋势，最大的横向变形出现在隔水导管的中间位置，最大弯矩处于隔水导管的1／3处，其位置随浪高增大而向上偏移。研究结果可为隔水导管的变形和弯矩失效分析提供理论依据。

隔水导管；横向变形；弯矩；ABAQUS

隔水导管是浅海石油勘探和开发过程中的重要设备，起着连接海底井口和固定式钻井平台的作用，同时具有形成钻井液循环通道、隔绝海水的功能。在海上钻井平台工作过程中，隔水导管的性能是否满足要求直接关系到钻完井作业能否安全运行。在恶劣的海洋环境下，隔水导管的受力情况非常复杂，某些位置容易产生比较大的横向变形与弯矩，进而导致隔水导管的失效。目前，国内外有很多学者在稳定性和入泥深度方面，对隔水导管进行了研究。文献［1-4］对复杂海况下的隔水管进行了结构动力分析。文献［5］采用弹性稳定性分析方法，研究和分析了隔水导管稳定性的特点及临界载荷。文献［6］介绍了单筒三井隔水导管的组合结构，对比分析了水泥环对单筒三井隔水导管组合结构力学性能的影响。文献［7-8］从隔水导管功能特性分析入手，得出了隔水导管最小入泥深度确定方法。总结当前国内外的研究状况，关于隔水导管的横向变形与弯矩方面的研究较少。

本文基于ABAQUS有限元分析软件，对比分析了不同风速、海流速度和波浪浪高对隔水导管横向变形与弯矩的影响，所得研究结果可为隔水导管的变形和弯矩失效分析提供理论依据。

1 隔水导管环境载荷及模型建立

在研究过程中，以准静态的方式来处理波流载荷的联合作用，不考虑波浪的动载效应。在有限元分析之前，做如下假设：

1)隔水导管的材料特性和几何特性保持不变。

2)隔水导管下端插入泥中，为固定端约束。

3)隔水导管上端与钻井平台相连，为铰支约束。

4)隔水导管在自重和外载作用下属于小应变大变形问题。

隔水导管几何及载荷模型如图1所示。

图1　隔水导管几何及载荷模型

隔水导管插入泥线以下3 m，泥线上方至海面距离为120 m，海面以上部分为36 m。隔水导管的尺寸为Ø610 mm×26 mm，D／L＝0．0019（D为隔水导管直径，L为长度），所用钢材为X56管线管。定义隔水导管顶端为A端，泥线表面端为B端。作用在隔水导管上的载荷包括隔水导管的自身重力、顶部张紧器产生的张力、风对海面上部隔水导管的作用力、波浪动态行为产生的海流力以及波浪力。

2 隔水导管各个载荷的计算

2．1 海风作用力

海风作用力是垂直于气流方向的平面所受的风的压力，其计算表达式为

式中，γw为空气的密度，kg／m3；uw为风速，m／s；CDw为拖曳力系数，取0．95；AP为迎风面积，m2；g为重力加速度，m／s2。

2．2 海流力

海流力是海水对水下物体的压力，是由海水的动能转化为压能而产生的，可以由稳定流动条件下的压力数学表达式得出，其表达式为

式中：ρ为海水密度，kg／m3；D为隔水导管的直径，m；h为管段与海底的距离，m；CD为阻力系数；u为海流最大速度，m／s；d z为轴向长度增量，m。

2．3 波浪力

对于小尺度圆柱构件，如果D／L＜0．2时，可以使用莫里森方程来计算垂直于轴线方向上的波浪力。根据莫里森方程，作用在隔水导管上的单位长度的波浪力是由海水流过隔水导管所产生的阻力和海水加速度产生的惯性力组成的，具体的表达式为

式中：f为单位长度管柱上受到的波浪力，N；u为垂直于隔水导管方向上的海水质点速度，m／s；CM为惯性力系数；t为时间，s。

式（3）中，第1项是海水水平方向速度产生的阻力，第2项是海水加速度产生的惯性力。

3 不同因素对隔水导管横向变形与弯矩的影响

3．1 风速

隔水导管横向变形与弯矩随风速的变化曲线如图2～3所示，取风速分别为30、40、50、60 m／s。

由图2～3可见：单一风速下，从隔水导管的A端到B端，横向变形与弯矩先增大后减小；随着风速的增大，隔水导管横向变形与弯矩几乎不发生变化，隔水导管横向变形与弯矩对风速的变化不大敏感；最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，在65～75 m处；最大弯矩处于隔水导管的1／3处，在45～55 m处。

图2　不同风速时隔水导管横向变形曲线

图3　不同风速时隔水导管弯矩曲线

3．2 海流速度

隔水导管横向变形与弯矩随海流速度的变化曲线如图4～5所示，取海流速度分别为3、4、5、6 m／s。

由图4～5可见：单一海流速度下，从隔水导管的A端到B端，横向变形与弯矩先增大后减小；随海流速度的增加，隔水导管的横向变形与弯矩增大，隔水导管的最大横向变形和最大弯矩的变化幅度也随之增大；最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，在65～75 m处；最大弯矩处于隔水导管的1／3处，在40～50 m处。

图4　不同海流速度时隔水导管横向变形曲线

图5　不同海流速度时隔水导管弯矩曲线

3．3 浪高

隔水导管横向变形与弯矩随波浪浪高的变化曲线如图6～7所示，取浪高分别为6、8、10、12 m。

图6　不同浪高时隔水导管横向变形曲线

图7　不同浪高时隔水导管弯矩曲线

由图6～7可见：单一浪高下，从隔水导管的A端到B端，横向变形与弯矩先增大后减小；随着浪高的增加，隔水导管上部分的横向变形与弯矩随之增大，下部分的横向变形与弯矩呈先增大后减小趋势，最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，在65～75 m处，最大横向变形随浪高变化的幅度减小；隔水导管的最大弯矩处于1／3处，在40～60 m处，最大弯矩的位置随浪高增大而向上偏移。

4 结论

1)单一风速下，从隔水导管的A端到B端，横向变形与弯矩先增大后减小。随风速的增加，隔水导管的横向变形与弯矩几乎不发生变化。最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，而隔水导管的最大弯矩位于1／3处。

2)单一海流速度下，从隔水导管的A端到B端，横向变形与弯矩先增大后减小。随海流速度的增加，隔水导管的横向变形与弯矩增大。最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，而隔水导管的最大弯矩位于1／3处，而且隔水导管的最大横向变形和最大弯矩随海流速度增加的变化幅度较大。

3)单一浪高下，从隔水导管的A端到B端，横向变形与弯矩先增大后减小。随浪高的增加，隔水导管上部分的横向变形与弯矩随之增大，下部分的横向变形与弯矩呈先增大后减小趋势。最大横向变形出现在隔水导管的中间位置，而隔水导管的最大弯矩位于1／3处，隔水导管的最大横向变形随浪高变化的幅度减小，隔水导管最大弯矩的位置随浪高增大而向上偏移。

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［6］张红生，杨进．海上单筒三井隔水导管结构整体力学分析［J］．石油钻采工艺，2012（5）：31-32．

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Analysis of Lateral Eeformation and Bending Moment of Erilling Riser by ABAQUS

DUAN Xianwen，ZHU Hongwu，HU Biao，KUANG Binquan，JIANG Hanyi
（College of Machinery and Transportation Engineering，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China）

In harsh sea condition，the part of drilling riser will have a greater lateral deformation and bending moment．In this paper，the influence of wind，ocean currents and wave on the riser lateral deformation and bending moment of the drilling riser were analyzed based on ABAQUS finite element software．The result shows that the lateral deformation and bending moment of the drilling riser almost do not change with the increase of the speed of wind．With the increase of the speed of ocean current，the lateral deformation and bending moment of the drilling riser increase．The maximum lateral deformation is in the middle of the drilling riser and the maximum bending moment is in the third of the drilling riser．With the increase of wave height，the lateral deformation and bending moment of the upper section of the drilling riser increase but the ones of the below section of the drilling riser first increase then decrease．The maximum lateral deformation is in the middle of the drilling riser and the maximum bending moment is in the third of the drilling riser，whose location offsets up with the increase of wave．The result of this paper provides theoretical basis to failure analysis of lateral deformation and bending moment of drilling riser．

drilling riser；lateral deformation；bending moment；ABAQUS

TE973．9

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．009

1001-3482（2015）04-0036-04

2014-10-30

段宪文（1989-），男，山西太原人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备研究，E-mail：duanxianwen123＠163．com。