自升式钻井平台隔水导管在环境载荷作用下的响应分析

王 琮，李春润，娄 敏，刘振纹，梅灿喜

1.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580

作为水下井口到浮式钻井平台的延伸，隔水导管是一种在钻探过程中不可或缺的管状结构，为钻井液提供循环流动通道，引导钻杆钻具等，是海洋钻探过程中的关键设备。随着作业水深的增加，隔水导管的长度也相应变长，长细比大大增加，对于泥线以上部分而言，隔水导管不仅受到比较大的轴向载荷的作用，还要受到横向周期性的海洋环境载荷的作用，这些载荷对隔水导管的强度和安全性都会产生比较大的影响，因此在海洋环境条件下整个隔水导管系统受力和运动的情况都会变得十分复杂。

目前，国内外有关隔水导管动态响应的研究较多，如采用确定性波浪力模型分析了波流联合作用下的动力响应[1]；郭海燕等[2]从不同角度对隔水导管进行了动力分析；畅元江[3]在研究导向架隔水导管的动力响应时，借鉴对平台进行力学分析的“等效桩法”来近似替代泥面线以下隔水导管与土壤之间的非线性作用；王腾[4]利用有限元法研究悬臂自升式钻井平台运动、导管架平台偏移等位移荷载作用下隔水导管系统的挠曲变形响应，但这些研究都是针对隔水导管两端被铰支或者固支这一比较简单的边界条件。KOOB J[5]等人的研究涉及到隔水导管与导向架之间的间隙接触条件，但研究的重点是间隙接触条件对Spar平台整体运动的影响。本文以某海区的自升式钻井平台隔水导管为例，将平台结构作为刚性结构，忽略其对隔水导管系统的影响，建立了4种隔水导管模型，采用P-y曲线法描述隔水导管与土壤的非线性相互作用，隔水导管在一定的入泥深度下，考虑波流联合作用，使用ANSYS软件作为隔水导管有限元分析工具，研究隔水导管的运动响应，得到其响应过程中的最大等效应力与最大变形，以实现隔水导管的强度校核。

1 隔水导管系统数值计算模型

1.1 基本参数设置

为得到带导向架的自升式钻井平台隔水导管在波流联合作用下的非线性动态响应及其规律，采用ANSYS软件建立有限元模型。

以65 m水深条件下的自升式钻井平台隔水导管为研究对象，隔水导管采用X52钢级，外径为26 in（1 in=24.5 mm），壁厚为 0.625 in，屈服强度为360 MPa，材料密度为7 800 kg/m3；隔水导管顶端高出海面15 m，海平面上13.5 m处用管卡固定，除垂直方向外，其他所有自由度均受管卡限制。

（1）海洋环境基本参数。正常作业海况下的有效波高为3.5 m，波浪周期为9 s，总体坐标系的原点位于海平面处，即海平面的高度为0 m。海平面以下高度分别为0、-15、-30、-45、-50、-65 m时，流速分别为2.056、1.77、1.23、0.86、0.75、0.21 m/s。计算中拖曳力系数设定为1.2，惯性力系数设定为2.0，取波浪和海流的入射角均为0°，采用Stokes 5阶波浪理论Morison方程计算作用于隔水导管的波流联合作用力。

（2）土壤参数。采用P-y曲线法描述隔水导管与土壤的相互作用，设置入泥深度为40 m。采用该方法时，泥面线以下隔水导管与土壤之间的非线性相互作用可通过非线性弹簧表示，将弹簧的一端固定，另一端与隔水导管连接。根据规范中推荐的有关公式，计算非线性弹簧的载荷位移曲线[6]，并用Combination39非线性弹簧单元来模拟土壤与结构的非线性作用，土壤参数如表1所示。

（3）单元设置。采用PIPE59单元模拟海浪、海流载荷对隔水导管的作用，隔水导管泥面线以下部分采用PIPE16单元进行模拟，进行波流联合作用下的海洋结构物设计或分析时，波流之间的交互作用应当引起注意。ANSYS软件中的PIPE59单元支持波流交互作用，在输入波流剖面参数的水表（water table） 中有波流交互开关KCRC，通过3个选项（KCRC=0，1，2）可以设定3种不同形式的波流交互，不同的选项代表由于波浪的作用，流剖面被“张紧”或者“压缩”的程度。但隔水导管有关规范未对隔水导管分析的波流交互做出要求，这里的隔水导管分析也就没有考虑波流之间的交互作用（KCRC=0）。研究证实，不考虑波流之间的交互作用将使计算结果偏于保守。

表1 土壤参数

1.2 有限元模型

1.2.1 上端支撑模型

针对工程实际中隔水导管上端约束，下端打入海床中的情况，采用ANSYS软件，建立了隔水导管上端支撑模型，海平面上13.5 m处用管卡固定，除垂直方向外，管卡限制其他所有自由度。隔水导管下端插入土壤中，用P-y曲线法模拟管土相互作用，建立的模型如图1所示。图1～图4中的粗实线代表分断线，沿管道的多个三角形代表对隔水导管的某位置处施加的约束。

图1 上端支撑模型

1.2.2 隔水导管顶张力模型

针对隔水导管顶端施加张力，下端插入海床中的情况，采用ANSYS软件，建立了隔水导管顶张力模型。此时隔水导管顶端除垂直方向外，其他自由度均受限制。建立的模型如图2所示。

1.2.3 隔水导管导向架间隙模型

图2 隔水导管顶张力模型

在隔水导管一定位置添加导向架，构成隔水导管-导向架间隙接触条件，以约束隔水导管横向运动。采用ANSYS软件，建立了隔水导管导向架间隙模型，隔水导管与导向架间的装配间隙为0.006 27 m，在ANSYS有限元模型中用Contact12单元模拟导向架与隔水导管之间的间隙-接触条件。依据工程中的设计情况，每隔10 m建立一个导向架，即Z=3.5、-6.5、-16.5、-26.5、-36.5、-46.5、-56.5 m位置处建立导向架。建立的模型如图3所示。

图3 隔水导管导向架间隙模型

1.2.4 隔水导管导向架固定模型

将隔水导管一定位置处施加固定约束，用来限制隔水导管的运动工程情况，采用ANSYS软件，建立了隔水导管导向架固定模型（如图4所示）。海平面上13.5 m处用管卡固定，向下每隔10 m将隔水导管用管卡，除垂直方向外，其他自由度由管卡限制，隔水导管下端插入土壤中，用P-y曲线法模拟管土相互作用。

2 计算结果及分析

2.1 相同海洋环境载荷作用下的计算结果

图4 隔水导管导向架固定模型

依据建立的4种隔水导管模型，采用ANSYS软件的APDL，完成了4种模型在波流联合作用下的非线性分析，得到了隔水导管的最大变形和最大等效应力，如表2所示。

表2 四种模型的变形和应力情况

由表2可知，在海洋环境载荷作用下，上端支撑模型的变形和应力最大，然后依次是隔水导管顶张力模型、隔水导管导向架间隙模型、隔水导管导向架固定模型。导向架在隔水导管振动过程中均较好地抑制了隔水导管的横向振动，这表明采用Contact12单元来模拟隔水导管与导向架之间的间隙接触边界条件是可行的。

2.2 环境参数变化下的计算结果

为研究各个海洋环境载荷对隔水导管作用的影响，对于每一种模型，改变海洋环境参数，分析环境载荷的变化对隔水导管作用的影响。改变波高，隔水导管的变形和应力如表3所示；改变海流流速，隔水导管的变形和应力如表4所示。

由表3可知：在相同波高作用下，变形和应力最大的是上端支撑模型，然后依次是隔水导管顶张力模型、隔水导管导向架间隙模型、隔水导管导向架固定模型；在不同的波高作用下，随着波高的增加，上端支撑模型、隔水导管顶张力模型的变形及应力也在增加，这对隔水导管的安全作业提出挑战；在不同的波高作用下，随着波高的增加，隔水导管导向架间隙模型、隔水导管导向架固定模型的变形及应力变化很小，这说明导向架均较好地抑制了隔水导管的横向运动。因此，这两种模型的约束条件较好，在一定波高范围内能保障隔水导管的作业安全。

表3 波高对隔水导管变形及应力的影响

表4 流速对隔水导管变形及应力的影响

由表4可知：随着流速的增大，上端支撑模型、顶张力模型的变形和应力也在不断增加，因此流速对隔水导管的变形和应力有重要的影响；在相同的海流流速作用下，变形最大的是上端支撑模型，然后依次是隔水导管顶张力模型、隔水导管导向架间隙模型、隔水导管导向架固定模型；流速的增大，对隔水导管导向架间隙模型和固定模型的应力和位移有影响，但其影响很小，这是由于这两种模型对隔水导管的约束作用较好，在实际工程中可以采用这两种模型保障隔水导管的作业安全。

3 结论

针对建立的4种隔水导管模型，考虑波流联合作用，分析隔水导管在环境载荷作用下的变形和应力情况，得出以下结论：

（1）在相同海洋环境载荷作用下，上端支撑模型的变形和应力最大，然后依次是隔水导管顶张力模型、隔水导管导向架间隙模型、隔水导管导向架固定模型。

（2）随着波高、流速的增加，上端支撑模型、隔水导管顶张力模型的变形及应力也在增加，但隔水导管导向架间隙模型、隔水导管导向架固定模型的变形及应力变化很小，说明导向架较好地抑制了隔水导管的横向运动。

（3）设计的4种隔水导管模型的最大应力都小于360 MPa，满足隔水导管的强度校核要求。

[1]SY/T5322-2000，套管柱强度设计方法[S].

[2]郭海燕，王树青，刘德辅.海洋环境荷载下输液立管的静、动力特性研究[J].中国海洋大学学报，2001，31（4）：605-611.

[3]畅元江，陈国明.导向架隔水管在波流联合作用下的非线性动力响应[J].中国石油大学学报（自然科学版），2006，30（5）：74-77.

[4]王腾，管志川.悬臂自升式钻井平台运动对隔水导管的响应[J].中国石油大学学报（自然科学版），2012，36（4）：84-87.

[5]KOO B J，KIM M H.The effect of nonlinear multi-contact coupling with gap between risers and guide frames on global spar motion analysis[J].Ocean Engineering，2004，31（11）：1 469-1 502.

[6]徐长航，陈国明，谢静.风暴状态下自升式平台非线性动力分析模型[J].中国石油大学学报（自然科学版），2003，27（4）：80-83，87.

[7]DNV-OS-F201—2001，Dynamic risers：offshore standard[S].