R550D钻井平台悬臂梁处高压泥浆管应力分析

程锋瑞 方怿民

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

R550D自升式钻井平台是在黄埔船厂建造，采用TSC钻井包的高规格钻井平台，如图1所示。此平台型长260英尺（1英尺=0.304 8m），型宽261英尺，型深27英尺，桩腿总长588.45英尺，前后桩腿中心距129英尺，后桩腿中心距142英尺，悬臂梁位移80英尺，居住人数150人。工作水深可达120 m，钻井深度可达尺桩腿总 m。与传统的自升式钻井平台相比，该平台具有作业能力强、甲板可变载荷大、环境适应性好、性价比高等特点。

图1 R550D自升式钻井平台

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

高压泥浆泵是高压泥浆系统的心脏，是泥浆设备中最为关键的设备。为克服高压泥浆在系统中的阻力、满足井下钻头水功率的要求、为井下动力钻具提供动力，R550D钻井平台采用TSC集团的2200 HP的高压泥浆泵，出口压力可达到7500 PSI（约等于51.7 MPa）。为了满足管路设计压力，必须选择合适的管路、阀门和附件等材料。随着钻井深度的不断增加和高压喷射钻井技术的不断推广，高压泥浆系统成为一个高性能、高应力系统，因此对其进行详细的管道应力分析以便得到合理的管道布置和优化的支吊架结构是必要的。以R550D，400英尺水深作业的自升式钻井平台中的高压泥浆系统为例，对悬臂梁部分高压泥浆管进行应力分析。

1.2 管道应力分析的方法

在实际工程项目设计中，并非所有的管道都需要进行应力计算，也并非所有计算都必须通过计算软件进行。一般管道应力分析有以下两种：简单计算法和软件分析法。

简单计算法是适用于具有同一直径、同一壁厚、无支管、两端固定、无中间约束的非剧毒介质管道，用式（1）进行判断：

一次应力是由于压力、重力和外部载荷的作用所产生的应力。它是平衡外部载荷所需要的应力，随外部载荷的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性区扩展达到极限状态，使之变成几何可变的机构时，即使外部载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。管道工艺标准ASME B31.3没有提供对一次应力校准的公式，但是其要求计算由于重力和压力引起的轴

式中：D0——管道外径，mm；

Y——管道吸收总位移，mm；

L——管段两固定点之间的展开长度，m；

U——两端（固定）定点之间的直线距离，m

鉴于上述简化计算公式存在局限性，因此它不适用于下列管道：

1）在剧烈循环条件下运行，有疲劳危险的管道；

2）大直径薄壁管道（管件应力增强系数j≥5）；

3）与端点连线不在同一方向的端点附加位移量占总位移量大部分的管道；

4）L/U＞2.5的不等腿U型弯管，或近似直线的锯齿管。

当简便计算法无法判断管道柔性，或规范要求必须进行详细应力分析时，可采用分析软件来进行详细应力分析。目前使用较多的管道应力分析软件有：CAESARII、ADLPIPE和AUTOFLEX。 其中CAESARII软件使用较为普遍。

对于简单的管道系统按管道布置规则和工艺设计即可满足设计要求，但对于高压泥浆之类的复杂管道系统则需要借助于有限元法进行应力分析，根据计算结果调整才能达到设计要求。

采用美国COADE公司研发的管道应力分析软件CAESARII［1］为分析工具。该软件是以材料力学、结构力学、弹塑性力学、有限元、管道应力分析与计算为基础，进行管道系统的设计和分析。该管路系统按照美国工艺管道标准ASME B31.3计算。

2 管道应力分析理论

管道应力分析可以分为静力分析和动力分析两部分。静力分析是指在静力载荷作用下对管道进行力学分析，并予以相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、地震分析以及水锤和冲击载荷作用下管道的振动分析，其目的是使地震和振动的影响得到有效控制，本文只对管路做静力分析。管道静应力根据性质可以分为一次应力和二次应力［2］。

2.1 一次应力

向应力，并且要求轴向应力不超过Sh—材料在设计温度下的许用应力，见式（2）［2-3］：

式中：SL——一次应力；

F——持续载荷产生的轴向力；

A——管道横截面积；

P——设计压力；

d0——平均直径；

t——壁厚；

ii、i0——平面内、外应力增强系数；

Mi、M0——持续载荷产生的平面内、外的弯矩；

Z——抗弯截面模量

2.2 二次应力

二次应力是由于热涨、冷缩引起端点附加位移载荷的作用下产生的应力。它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连续要求所必需的应力。二次应力具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来讲，只要不反复加载，二次应力不会导致管道破坏，也就是说二次应力引起的主要是疲劳破坏。管道工艺标准ASMEB31.3中规定的位移应力即二次应力，见式（3）：

式中：SE——位移应力范围；

Mi、M0——热涨载荷产生的平面内、外的弯矩；

MT——热涨载荷引起的扭矩；

Z——抗弯截面模量；

SA——位移应力的许用范围；

f——管道位移应力降低系数，该平台的设计寿命为20 a，其循环次数最多为7000，根据管道工艺标准ASMEB 31.3的规定，本算例取1.0；

SC——在所分析的位移循环期间，预计的最低金属温度下的基本许用应力；

Sh——在所分析的位移循环期间，预计的最高金属温度下的基本许用应力；

SL——持续载荷引起的应力

3 计算载荷

高压管路系统管道应力分析中应该考虑的载荷包括操作载荷、瞬时载荷和环境载荷。

3.1 操作载荷

包括重力、压力和位移载荷等。其中重力包括管道及其附件、流体介质和保温材料等自重；压力载荷取设计压力或根据工艺有特殊要求的工况确定；位移载荷是管道及其设备热涨、冷缩造成的位移（端点附加位移）；计算温度取设计最高、最低温度，有的工况需要计算操作温度下的受力情况。

3.2 瞬时载荷

包括气体或蒸汽管道的柱塞流作用、气体管道中安全阀排放产生的反作用力、管道的蒸汽吹扫和水锤力。其中水锤力是由阀门开闭、泵的起停等引起的。

3.3 环境载荷

包括地震、波浪、风、雪和冰等。环境载荷在处理的时候可以作为冷态（Sustained）或偶然（Occasional）载荷，但是必须满足最低温度为-10℃、最高风速为54.1 m/s的冷态或偶然载荷的应力限制要求。

4 管道应力分析实例

4.1 建立模型

根据悬臂梁处的高压泥浆管系原理图（如图2所示），建立悬臂梁处高压泥浆管路的应力分析模型，如图3所示。管路中每隔2～3m加管夹固定高压泥浆管。

图2 悬臂梁处高压泥浆原理图

图3 悬臂梁处高压泥浆管模型

4.2 边界条件

根据规格书的规定，高压泥浆管路的边界条件为：设计压力10000 PSI，管道外径为177.8 mm，壁厚25 mm，操作温度21.6℃，设计温度范围-10～60℃，介质密度为2.2 g/m3，管子材质为A519 AISI 4130的合金结构钢。管道应力计算时需要考虑波浪诱导加速度偶然荷载的影响。为保守起见，按照常规经验，三个方向波浪诱导加速度全部取为0.5倍重力加速度。因为该管系在悬臂梁和钻台处，故必须考虑风载荷的影响。静态分析中支撑认为是完全刚性的，软件默认刚度为1.75×1012N/cm。为避免噪声和管路的振动，支撑的间隙为0 mm。

4.3 约束类型

根据管路的走向，管夹约束管路的XZ或YZ方向；不考虑端点附加位移，管路穿钻台处作为一个固定边界，即 X、Y、Z、RX、RY、RZ（3 个线位移和 3 个角位移）都进行约束；刚性元件如法兰、阀门、小型的管道设备在建模时可以定义为rigid，给定重量即可，管路压力按照设计压力计算。

4.4 应力分析

在管道应力分析过程中，确定载荷工况组合是至关重要的。以管道工艺标准ASME B31.3设计规范为依据，确定了计算载荷及工况组合。表1为校核工况组合的情况。其中，W为管子自重（包括介质和保温层的重量）；T1为设计最高温度60℃；T2为设计最低温度-10℃；P1为设计压力10000 PSI；HP为静液压力；U1为波浪诱导加速度 （纵摇）0.5g；U2为波浪诱导加速度（横摇）0.5g；WIN1为纵向36.01 m/s的风速；WIN2为横向36.01m/s的风速；WIN3为纵向51.4 m/s的风速；WIN4为横向51.4 m/s的风速；WW为管路充满水的重量；WNC为管道自重 （不包含介质重量）。通过对以上各个设计的条件要求进行组合，组成如下26种工况，并说明与各个工况相对应的应力类型，主要有：HYD表示静液压应力；SUS表示冷态应力，一般指安装状态（一次应力）；OPE表示热态应力，一般指工作状态（二次应力）；EXP表示纯热态应力（二次应力），包括温度和附加位移。

表1 工况组合工况描述应力类型组合方式

5 结果分析

通过对上述工况计算分析发现，高压泥浆管路系统在工况序号为L22～L26的工况下，其二次应力超出管道工艺标准ASME B31.3规范要求，而且应力集中点相同，图4为其分析结果，表2为其应力输出结果。

通过对表2的数据可以看出，在L22～L26的工况下，节点159至节点169以及节点310至节点320处存在应力不满足管道工艺标准ASME B31.3设计规范的问题，因此需要消除管路中的应力集中。从图4中可以看出160节点在弯管处，因此可行的方案为解除节点150处的管夹约束从而解决节点159至节点169应力集中的问题；而节点310附近的应力集中可通过在290节点固定点加上管夹，即把290节点的固定端约束改为管夹约束从而解决节点310至节点320应力集中的问题。对解决方案重新建立模型，并做出计算分析得出高压泥浆管线的二次应力结果如图5所示。表3为其应力输出结果。

图4 二次应力分析结果

表2 应力分析结果

续表2

通过对表3数据分析可以看出，在L22～L26的工况下，节点159至节点169以及节点310至节点320处的应力，能满足管道工艺标准ASME B31.3设计规范，而且其他节点处也同样满足设计规范要求。下一步，如果修改后的模型的频率也满足规范设计要求，那么修改后的模型就满足整个设计要求。对新模型的模态分析结果如表4所示。

图5 新的二次应力分析结果

表3 新的应力分析结果

续表3

表4 频率分析结果

从表4的数据可以看出，模型的最低频率大于DNV规范所规定的4～5 Hz，满足规范要求。因此新的模型设计满足规范的设计要求。

6 结语

该文以高规格的R550D自升式钻井平台悬臂梁处的一根高压泥浆管为例，根据悬臂梁处的高压泥浆管系原理图，建立此处高压泥浆管的三维模型。根据R550D自升式钻井平台的规格书，建立模型的约束条件，根据高压泥浆管夹布置的位置或类型以及穿舱位置，建立管道模型的约束类型和位置；并根据管道应力理论和静载荷下的一次应力和二次应力分析方法，对模型进行分析。通过分析，发现初步的模型存在应力集中的问题，需要调节模型应力集中点处的约束类型。如果模型应力集中点处的约束类型不能调整，那么需要调整模型应力集中点附近的约束类型。通过调节应力集中点附近的约束类型和解除应力集中点附近的约束重新建立模型，解决了高压泥浆管中存在的应力集中的问题，并对新模型进行模态分析，结果满足规范要求。该方法解决管道应力集中的问题，对今后该类型的钻井平台的高压泥浆管道的应力分析有一定的借鉴和参考价值。

［1］COADE Inc.CAESAR II中文用户手册［Z］.北京：中国技术服务培训中心，2003.

［2］COADE Engineering Software Inc［Z］.1998.

［3］唐永进.压力管道应力分析［M］.北京：中国石化出版社，2003.

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