隔水管卡簧式快速接头强度分析*

张　瑜， 王树青

(中国海洋大学工程学院，山东省海洋工程重点实验室， 山东 青岛 266100)



隔水管卡簧式快速接头强度分析*

张瑜， 王树青**

(中国海洋大学工程学院，山东省海洋工程重点实验室， 山东 青岛 266100)

摘要：隔水管是井口平台的重要组成构件。许多早期建设的井口平台隔水管采用卡簧式快速接头进行机械连接，卡簧作为主要连接构件，其完好程度对结构的强度有重要影响。本文针对卡簧式快速接头，基于ANSYS建立了快速接头有限元实体模型，找到了合理模拟卡簧与公母接头接触、施加端部作用力及模拟损伤破坏等问题的方法，进行了快速接头的强度分析；并在此基础上分析了卡簧完好、损伤25%、损伤50%、完全损坏情况下的接头应力变化，比较了卡簧损伤位置对接头强度的影响。计算结果表明，卡簧损伤50%时卡簧对接头几乎没有约束作用；卡簧的约束作用主要是由受拉一侧卡簧提供。

关键词：井口平台；隔水管；快速接头；卡簧；有限元分析；强度分析

中国浅海石油开发已有50多年历史，很多导管架平台已经处于服役中后期。有些早期建设的海上井口平台，隔水管采用钻井平台钻机钻入海底，每根套管之间用快速接头实现海上机械式连接，以缩短海上钻井周期。这些平台的隔水套管不仅作为井口隔水管用，同时兼做井口平台的基础支承桩，这使得井口隔水管的受力更加复杂。卡簧作为快速接头的主要连接构件，对于整体结构安全性的影响是值得研究的。目前国内外针对服役中后期平台的安全性研究较多[1-2]。对井口平台隔水管的研究，主要集中在深水钻井隔水管系统方面，如隔水管的振动特性、涡激振动、疲劳特性及浪、流作用下隔水管的受力等。Dat H. Nguyena等人[3]分析了不同冰厚作用下立管的安全性。畅元江、陈国明等人[4]对国外深水钻井隔水管系统产品技术现状与进展的综述，弓大为[5]等人对深水钻井隔水管可能发生事故的总结等。而对浅海平台隔水管，尤其是对快速接头的研究非常有限，张宗峰等人[6]对浅海固定式平台隔水管接头进行了有限元分析，张怡等人[7]对隔水管密封圈进行了有限元分析，杨进等人[8]分析了快速接头卡簧端面角度、接头有效搭接长度及材质与接头结构极限抗弯承载力的关系。关于快速接头卡簧对接头安全性影响方面的文章还未见报道。基于此，本文通过大型有限元软件ANSYS建立有限元模型，分别在卡簧不同损伤程度和不同损伤位置2种情况下，对接头强度进行了分析，为工程安全分析提供参考。

1井口平台整体分析

隔水管工作环境复杂，快速接头作为隔水管的连接构件，受力也比较复杂，为了更准确的了解快速接头的受力状况，首先对隔水管井口平台进行整体分析，得到快速接头的内力，用以快速接头的局部强度分析。

1.1 井口平台建模

选取工程中常见的3×2型式的六井口平台进行整体分析，平、立面图如图1所示。井口平台总高度为21 m，水面以上6 m，水中10 m，6倍桩径处固支，入泥5 m。

图1　井口平台平、立面图

通过有限元软件ANSYS建模，泥面以上采用PIPE59单元，泥面以下采用PIPE16单元。桩腿管径为0.762 m，壁厚为0.026 m，上部横撑、斜撑的管径为0.5 m，壁厚为0.02 m。建立有限元模型如图2所示。

图2　井口平台有限元模型

1.2 荷载计算

本文是基于渤海环境荷载条件进行分析的，海冰对海洋建筑物的作用力是寒冷地区海洋建筑物分析的控制荷载[3]。所以，本文将针对海冰、海流、风荷载共同作用的工况条件对井口平台进行分析。

1.2.1 冰荷载计算根据渤海环境载荷条件，50年一遇设计冰厚为45 cm，抗压强度2 244 MPa。参照SY/T 10030 2004[9]规定，作用于隔水管上的冰载荷按下式计算：

P=mK1K2Rcbh。

(1)

式中：m为桩柱形状系数，对圆截面柱采用0.9；K1为局部挤压系数；K2为结构与冰层的接触系数；b为结构宽度(或直径)；h为冰层计算厚度；R2为冰的极限抗压强度。

对于六井口平台，遮蔽效应会导致作用于后排隔水管的冰力减小，按图3考虑冰力折减。

图3　冰力折减系数

1.2.2流荷载流荷载通过ANSYS的watertable施加，最大实测流速：表层114.4 cm/s，中层101.0 cm/s，底层91.5 cm/s。

海流力的计算公式为：

(2)

式中：CD为阻力系数；ρ为海水密度；UC为设计海流速度；A为构件垂直于海流方向的投影面积。

1.2.3 风荷载基本风压计算时取为50年一遇的海面上10 m处的10 min的平均风速：28.0 m/s，基本风压为：

p0=0.613v2。

(3)

风压p可以表示为：

p=CHCSp0。

(4)

式中：CH为考虑风压沿高度变化的高度系数，取1.0；

CS为考虑受风构件形状影响的形状系数，取0.5；

作用在隔水管上的风荷载可根据下式计算：

F=pA。

(5)

式中：A为构件垂直于风向的轮廓投影面积，单位为m2。

1.3 井口平台静力分析

考虑以下a、b两种荷载工况组合，对井口平台进行静力分析：

(a)风荷载+流荷载+X方向冰荷载(作用方向如图3a所示)；

(b)风荷载+流荷载+Y方向冰荷载(作用方向如图3a所示)。

冰荷载为控制荷载，结构应在冰荷载作用处产生最大应力。静力分析结果也表明，隔水管在冰荷载作用的静水面处应力最大。

隔水管单根长度一般为12 m，根据井口平台整体模型，快速接头位于水面以下5 m处。根据井口平台在a、b两种荷载工况组合下的静力分析结果，提取每种工况下快速接头计算模型上顶面处(即水面以下2 m处)节点内力，以此内力作为作用于井口平台的环境荷载对快速接头产生的受力影响，用于对接头单独实体建模分析，提取的内力值如表1所示。

表1　内力

2卡簧损伤对快速接头强度的影响

卡簧式快速接头由公接头、母接头和卡簧3部分组成，结构示意图如图4(a)、4(b)、4(c)所示。公接头与母接头分别焊接在隔水管的两端，卡簧放置在母接头卡槽内，通过下放带公接头的隔水管，完成隔水管的连接，公母接头连接断面图如图4(d)所示。正常连接状态下，公接头通过卡簧向母接头传递拉力[7]。因此，卡簧是快速接头最主要的连接部件，其完整性对快速接头整体结构的强度具有重要的影响。

图4　隔水管快速接头示意图

2.1 快速接头建模

为了研究极限荷载作用下快速接头的强度，以及卡簧损伤时接头的应力情况，现基于ANSYS软件中的实体单元，对快速接头建模。建立有限元模型时，将卡簧简化为一个完整的卡簧圈，即不存在实际中为了安装方便而预留的断口，下文的计算结果也验证了如此简化对计算结果的影响是非常小的。

快速接头与隔水管连接，受隔水管传来的均布力作用，而进行快速接头局部分析时，将均布力转化为集中力施加于接头上端。根据圣维南原理，在进行静力等效变换时，距离施力点较近的地方(称为近处)应力将发生显著变化，而距离施力点较远的地方(称为远处)所受的影响可以不计。快速接头长度较小，为了避免近处应力失真，在快速结构建模时将接头两端各延长3倍的直径，取2.5 m，模型如图5所示。在该模型的端部施加约束和等效力，以减少静力等效变换对局部接头分析带来的影响。

图5　快速接头计算模型

卡簧式快速接头涉及到卡簧、公母接头的连接与力的传递，为典型的接触非线性分析过程，合理的模拟和非线性设置是快速接头的强度分析的关键。

(1)卡簧与接头之间作用力的合理模拟。卡簧主要是公接头用来向母接头传递拉力的，只有当卡簧完整、正常连接接头的情况下，彼此间才会有作用力，若卡簧发生损伤，会导致彼此间的作用力减弱甚至消失。所以需要寻找一种模拟该作用力的方法，该方法可以根据卡簧的完整情况改变力的大小。其次，在实际工作环境中，由于受力复杂，卡簧与接头间不仅有法向力，还有切向力的存在。基于以上考虑，选择ANSYS软件中的接触方法进行分析。面面接触恰可以满足以上卡簧与接头的几个特点，能较好的模拟公、母接头以及卡簧间的相互作用力。

(2)接触分析相关参数设置。定义公、母接头之间以及卡簧、接头之间的面面接触。由于卡簧的连接作用和隔水管所受荷载的作用，接触面间会出现法向作用力，用罚刚度来确定接触面间法向作用力的大小，经过试算，确定罚刚度为0.1。考虑到卡簧与接头间不仅有径向约束力，还可能出现沿轴向的相对位移，定义摩擦系数为0.2，以模拟接触面间的切向约束力。

(3)端部作用力的施加问题。在计算接头模型端部施加内力荷载。由于模型采用的实体单元没有转动自由度，无法直接施加弯矩荷载，需寻找一种合理的施加荷载的方法。了解到点单元具有6个自由度，可以直接施加弯矩荷载，所以本文通过在计算接头上顶面处定义一个点面接触来实现点与实体单元的连接，将荷载作用在该点上，再由点传递到快速接头计算模型的上顶面，以解决施加弯矩荷载的问题。

(4)损伤破坏的简化模拟。卡簧损伤的结果直接导致快速接头的连接作用降低，使得公、母接头的整体性降低，接头与卡簧间的作用力减小甚至消失。在模拟卡簧损伤时，考虑损伤卡簧与接头间没有作用力的最坏情况，对损伤的卡簧部分不定义与接头的接触，即卡簧损伤部分不再对母接头提供约束力。

在2种荷载工况下，分别考虑卡簧完好、卡簧损伤25%、卡簧损伤50%和卡簧完全损坏4种情况，对接头进行强度分析，快速接头应力如表2所示。

表2　快速接头应力计算结果

以荷载工况b为例，卡簧完好和卡簧损伤50%时，公、母接头的应力云图分别如图6～9所示。

图6　卡簧完好情况下公接头应力分布图

在卡簧都是受压侧损伤的情况下，由不同损伤程度下的应力变化情况，可以看到随着卡簧损伤程度的增加，应力值呈现增大趋势，但每个阶段的增长幅度有很大不同；卡簧由完好到损伤25%，应力几乎无变化；卡簧损伤程度由50%增大到100%，应力增加值较小；但是当损伤程度由25%增大到50%时，应力急剧增大，接近卡簧完全损坏时的应力值。另外，由应力分布图可以看出，随着卡簧损伤程度的增大，公、母接头的应力分布也发生了变化，公接头应力急剧增大，而母接头应力略有减少。分析其原因为卡簧损伤导致公、母接头的整体性减小，作用力在上端，由上端的公接头向母接头传递的应力减小，主要由公接头承担。

图7　卡簧完好情况下母接头应力分布图

图8　卡簧损伤50%情况下公接头应力分布图

图9　卡簧损伤50%情况下母接头应力分布图

3卡簧损伤位置对快速接头强度的影响

上一节的分析是在卡簧受压侧损伤的基础上进行的。而实际工程中，卡簧损伤位置具有随机性。为了研究损伤位置对快速接头强度的影响，将卡簧分为4段，标号为①、②、③、④，如图10所示。根据卡簧的对称位置和作用力方向，分别考虑了以下2种情况：

工况(a)：卡簧损伤25%时，分别计算卡簧①、②、③、④段损伤时的应力，结果汇总见表3；

工况(b)：卡簧损伤50%时，分别计算卡簧①②段和②③段同时损伤时的应力值，结果汇总见表4。

由表3可以看到，卡簧损伤位置的不同会引起接头较大的应力变化；对称位置的卡簧对接头的作用相同，比如，卡簧①、②相对于X方向的作用力位置对称，卡簧①、②分别损伤时，快速接头应力分别为94.2、94.6 MPa，最大应力几乎相同。其次，由表可以得出，受拉一侧的卡簧完好与否对接头的影响远大于受压一侧，只要受拉一侧的卡簧有损伤，接头应力立刻达到最大值。

图10　卡簧分段位置示意图

/MPa

表4　卡簧损伤50%时快速接头应力计算结果

由表4可以看出，对于X方向作用力来说，损伤卡簧①、②为对称损伤，损伤卡簧②、③为不对称损伤，由计算结果可以看出不对称损伤接头的影响更大。对于Y方向的计算结果也有相同的结论。

4结论

卡簧式快速接头以其连接快速方便的优势在早期浅海井口平台中得到了较广泛的应用，卡簧是快速接头的主要连接部件，其完整程度对接头强度有重要影响。本文通过ANSYS软件建立快速接头有限元模型，分析比较了卡簧损伤时接头的强度变化，得到如下结论：

(1)卡簧损伤，会导致快速接头完整性降低，由公接头向母接头传递的应力减小，使得母接头应力偏小于公接头应力，即随着卡簧损伤程度的增加，由公接头向母接头传递的应力减少。

(2)由卡簧损伤25%到卡簧损伤50%，引起的应力增加值急剧增加，远大于由卡簧损伤50%到卡簧完全损坏引起的应力变化，可见卡簧损伤50%，卡簧对结构的约束作用就很小了；

(3)对于作用力方向来说，对称位置的卡簧损伤对接头的影响效果相同；卡簧对称损伤引起的应力增加值比不对称损伤小；卡簧对接头的连接作用主要是由受拉一侧的卡簧提供。

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责任编辑陈呈超

Strength Analysis of the Quick Coupling Connection of Platform Conductors

ZHANG Yu，WANG Shu-Qing

(College of Engineering, Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Drilling conductor is an important component of the wellhead platform, which is generally connected segment by segment. During the early stage of oil and gas development in ShengLi oil field, these conductors of wellhead platforms are always connected by using the quick coupling connection in circlip type. The circlip quick coupling connection has a significant effect on shortening the construction period, which could yield enormous economic benefits. Circlip coupling connection is a main component to connect the conductors of wellhead platform and has an important effect on the structural safety.

In this paper, the finite element model of a typical wellhead platform is firstly established and the environmental loads are computed and applied on the platform. The internal force at the circlip connection is extracted for the following strength analysis. Then, the solid model of the quick coupling connection was generated. Several problems, including the interaction simulation between the circlip, adapter and coupler of the quick coupling connection, the exertion of the internal forces acted on the bottom, and the circlip damage simulation, were proposed. The strength of the quick coupling, after considering different damage cases, including undamaged, 25% damaged, 50% damaged and completely damaged cases, were investigated. At the same time, the effect of damage location of the circlip on the quick coupling connection was also analyzed and compared. Research results demonstrate that circlip damage has an important effect on the strength of the quick coupling, and the function of its restraint almost totally lost when it was damaged to 50% extend. The function of the circlip is mainly provided by its tension side.

Key words:wellhead platform; drilling riser; quick coupling connection; circlip; finite element analysis; strength analysis

中图法分类号：TE951

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)01-131-07

作者简介：张瑜(1989-)，女，硕士。E-mail:yangfei1105@sina.com

收稿日期：2014-04-01；

修订日期：2015-02-20

*基金项目：国家自然科学基金项目(51379196)；泰山学者工程专项经费资助

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140114

引用格式：张瑜， 王树青. 隔水管卡簧式快速接头强度分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版)，2016,46(1)：131-137.

ZHANG Yu，WANG Shu-Qing. Strength analysis of the quick coupling connection of platform conductors[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(1): 131-137.

Supported by the National Natural Science Foundation of China(51379196) and the Taishan Scholars Program of Shandong Province

**通讯作者： E-mail：shuqing@ouc.edu.cn