深水钻井隔水管疲劳试验载荷分析.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 2期第 3 2页 石油矿 0 l L FI ELD 场机 械 EQUI P ME NT 文 章 编 号 l 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 3 0 2 一 O 0 3 2 0 4 深水钻井隔水管疲劳试验载荷分析 赵焕宝 ， 侯晓东 ， 雷广进 ， 刘宏亮 ， 左 其J l 鸡石油机械有 限责任公司 ， 陕 西 宝鸡 7 2 】 0 0 2 摘要 针对海洋深水钻井隔水管在疲劳试验过程 中的加载问题， 提 出了一种疲劳试验载荷的计算方 法 。用该 方 法计算 了试样 在各 种应 力 幅下进行 疲 劳试验 时的 内压 数 据 轴 向载 荷 ， 及 在 偏 心块 不 变状 态下加 载 电机 的 转速与 试样 焊缝 处 交变弯 曲应 力幅 的对 应关 系 横 向载荷 。通过与 国外权 威 机构所进行的深水钻井隔水管疲劳试验数据对比， 验证 了该计算方法的正确性。此方法可作为深 水钻 井 隔水 管疲 劳试 验 外载 荷 的计算依 据 。 关键 词 深水 ； 隔水 管 ； 疲 劳试验 ； 应 力幅 中图分类 号 TE 9 5 1 文献标 识码 A An a l y s i s o f Fa t i g u e Te s t i n g Lo a d s o f De e p wa t e r Ri s e r ZHA Hu a n b a o． HOU Xi a o d o n g， I ． E I Gu a n g j i n， L I U Ho n g l i a n g， Z U Qi c h u a n Ba o j i Oi l J i e l d Ma h i n e r y Co ．， Lt d． ， B a o j i 7 2 1 0 0 2， Ch i n a Ab s t r a c t Ai m i n g a t t he l oa di n g du r i n g f a t i gu e t e s t o f d e e p wa t e r r i s e r， a c a l c ul a t i o n m e t ho d of f a t i gu e t e s t i ng l o a d s i s p r e s e nt e d． At t h e b a s i s o f t hi s me t ho d， t he i n t e r n a l t e s t i ng pr e s s u r e of r i s e r i n di f f e r e nt s t r e s s r a ng e wa s o bt a i ne d．Be s i d e s， t he c or r e s po nd i n g r e l a t i o n b e t we e n t e s t m o l o r s p e e d a nd a l t e r n a t i n g be n d i ng s t r e s s r a ng e a t we l d i n g s e a m o f r i s e r i s a c q ui r e d． Fi n a l l y， by c om p a r i s on wi t h t he r i s e r f a t i gu e t e s t i n g da t a of f o r e i g n a ut ho r i t i e s ， t he pr o p os e d c a l c u l a t i o n m e t ho d of f a t i g ue t e s t i ng l o a d s i s p r ov e d t o b e c o r r e c t a n d f e a s i bl e ． Thi s me t ho d c a n be us e d a s r e f e r e nc e f o r d e s i gn b a s i s of t he r i s e r f a t i g ue t e s t l o a ds ． Ke y wo r d s de e p wa t e r ； r i s e r pi pe； f a t i gu e t e s t ； s t r e s s r a n ge ． ． ～一-”” ． - ． ． ． ． “ ”． ． - - “ “ ” - “- ” - “ “”””“ n””” _ 卜“ 卜“ ”卜” 卜 ” ’ 卜 ” 十一 “ 卜“ ” _ 卜” 卜” ”十”十 [ 3 2 干 建． 泡沫钻蚪 中泡沫 基液酸碱循 环利用技 术基 础 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 1 0 ， 3 3 1 7 6 7 9 [ 8 2 Wa n L i P i n g ． Me n g Y i n g F e n g 。 I Y o n g - J i e ． T h e S t u d y o f T h e C i r c u l a t i o n o f D r i l l i n g F o a m[ C ] ． S P E 1 3 l 0 6 8 ， 2 0 1 0 ． [ 9 ] 赵海 晖， 李兆敏 ， 蔡文斌． 自驱 动往复式 高压水 射流 泡 沫 冲砂 装 置 研 究 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 9 24 27 ． [ 1 O ] 万里平 ， 盂英 峰 ， 李 永杰 ， 等． 一 种可循 环泡 沫模拟 实 验装置 中国， 2 0 0 8 2 0 1 4 1 3 0 4 ． x E P ] ． 2 0 0 9 ～ 0 8 0 5 ． [ ] 亚尔 巴。 孙友宏 ， 穆罕默德． 压力对消泡器消泡 能力的 影 响实验研究与数值模拟[ J ] ． 探矿 工程 岩 土钻掘 工 程 ， 2 O 1 0， 3 7 4 1 1 1 3 ． 收稿 日期 2 0 l 2 O 8 1 8 基金项 目 旧家高技术研究发展计划 8 6 3汁划 项 日“ 深水钻井隔水管系统技术研究 ” 2 0 0 8 AA 0 9 A1 0 6 作者简介 赵焕宝 1 9 5 8 ， ， 河 南浚县人 ， 』 二 程师 ， 主要 从事石油机械产 品的装配 、 试 验与调试 、 试 验设 备的没计与研究 ． E I ] 1 1 i l z h a o h b b o mc o ． c n 。 ．三 切 片 吾 利 一 一 F S ， r 0 0 ～ ～ ～ L童 _呈 互 ∽ l山 一 一 ～ ．一 由 Ⅲ D 0 F C 一 m R 一 T 一 一 一 ～ 一 一 ．～ 一 一 一 一 一 ～ ～ 一 一 ～ 蝴 ～ 删 批 一 ] ] ] ] 第 4 2卷 第 2期 赵焕 宝， 等 深水钻 井隔水管疲劳试验载荷分析 深水 钻井 隔水 管是 海 洋深水 钻 井作 业 中连通 水 下防喷器组与钻井平台 或船体 的通道， 是海洋油 气开发 中必不可少的设备。海洋深水钻井隔水管在 工作中不仅受到来 自于顶部张紧器和浮力材料带来 的张 紧力 、 内部 钻井 液 和外部 海水 的内外压 力 、 浮式 平 台 的漂移 、 波 浪 以及潮 流 引起 的横 向弯 曲应力 ， 而 且海 水 在振 荡波 浪 中的加 速度 也会 引起 深水 隔水 管 的涡激振荡口 ] 。由此可见 ， 深水钻井隔水管的工作 环境 非 常恶 劣 ， 它所承 受 的外载 荷有 很强 的随机性 ， 各种随机载荷的长期作用会使隔水管在应力远低于 屈服强度时产生疲劳破坏 ， 引起钻井 中断 ， 甚至造成 非常严重后果_ 5 ] 。根据 AP I 相关规定 ， 海洋深水钻 井 隔水 管必 须进 行 疲 劳 性 能 验证 试 验 ， 以 预测 其 疲 劳寿命是否满足要求 。 1 疲劳试 验载荷分类 疲 劳试验 就 是验证 产 品在 受 到周期 性载 荷情 况 下 的使用寿命 。综合分析并简化海洋深水钻井隔水 管 的受 力 状 况 后 ， 可 把 疲 劳 试 验 的 外 载 荷 简 化 为 2类 。 1 轴 向载荷 在长度方 向， 张紧器和浮力材 料 产生 的 张紧力 简 化为 恒定 的轴 向张 力 。 2 横 向载 荷 海 流 、 波 浪 以 及 各 种 随机 振 动 载荷 ， 简 化 为具有 一 定应 力 幅的 、 交变 的弯 曲应 力 。 海 洋深 水钻 井 隔水 管所受 的 恒定轴 向张力通 过 深水钻井隔水管疲劳试样 内腔静水压力所产生的轴 向力来实现。通过调节水压 的大小 ， 即可得到所需 要 的轴 向张 紧力 。 横 向的周期性交变载荷采用电机带动偏心块旋 转 的方法来实现 。试样 的一端 固定， 偏心块的偏 重 在高速旋转 时产生的离心力通过相应的工装施加在 疲劳试样的另一端 ， 这样在试样 的管体上将产生周 期 变化 的弯 曲应 力 。通 过设计 偏 心块 的偏 重或 调节 变频 电机的转速能 自由调节交 变弯 曲应力 幅值 的 大 小 。 2 试样 内压 力计 算 2 ． 1 最小 内压 根据深水钻井隔水管工况， 其疲劳试验应该在 拉应力 状态 下进行 ， 即应力 比 必 须大 于零 ] 。 由上一节可知 ， 该试 验是通过 向试样 内腔充入 一定 的水压来产生轴 向张紧力 的， 与此 同时， 此轴向张紧 力也应平 衡交变弯矩在试样表 面产生 的轴 向压应 力 ， 最终使交变弯 曲应力比 O 。 O ma 当试 样 内腔 注入 的静 水 压 力 大小 为 P时 ， 可 近 似认为是带封板的厚壁 圆筒承受均布 内压 的情 况， 设 为静水压产生的轴向拉应力 ， 为静水压产生 的周 向应 力 为静 水压 产生 的径 向应力 ， 则 有 ， 一pr i Gm 一 2 ． 一 1 善 1 r ； r r ， 一 1一 一 _ 一 _ ， ． r r 式 中 n 是 隔水 管 内 圆半径 ； r 是 隔水 管外 圆半径 ； r 为 隔水 管壁厚 方 向任 意点处 的半径 ． r I 9 ． 9 0 1 MP a ， 即 只有 当试 样 内腔水 压 大 于 9 ． 9 0 1 MP a时， 表面才不会有压应力 。同理， 可得 出不 同 应力 比、 不同应力幅下的最小水压， 如表 1 。 表 1 不 同应力 比与应 力幅时的最 小水压 力 应舭 2 ． 2最 大 内压 除交 变应 力 比 必 须 大 于零 外 ， 深 水 钻 井 隔 o 水管还必须满足其本身 的静强度要求 ， 即内腔水压 引起的轴向应力和交变弯曲应力产生的综合等效应 力 的最大值应小于材料的许用应力 。 本文选用隔水管材料屈服强度 一5 5 2 MP a 。 前文 已知 静水 压 和 弯矩 产生 的轴 向最 大 拉应 力 ⋯ 一 -- 1 。 ， 因此 ， 两外载作用下 的三 向主应力可 近似为 f l ma x a ⋯ ， 1 I 口 2 rai n ， 【 l d 一 0 石油 矿场 机 械 根 据第 四 强 度 理 论 ，- ]以 得 出 米 塞 斯 等 效 应 力 为 。 √ [ 一 O“2 -- 0 “3 0“3 -- 7 1 ] ／ 1 [ 一 d 。 O-- G r 一 一 ] 3 将式 1 代入式 3 可得 ‰ 2 -- 3 南 4 根据静强度要求 ， 米塞斯应力必须小于许用应 力 ， 取不同安全因子 和不 同的应力幅 d r 。时， 求解 不等式 5 可求得深水隔水管允许的最大 内压 ， 结果 如 表 2 。 一 2 。 [ ] 一 5 表 2 不同安全因子和 应力幅时最大 内压 MP a 安全因子 _ 堕 对比表 1 ～2可知， 表 1中深色背景的数据的水 压力均能满足要求。为了在各应力范围 应力幅 下 统一 规 定 水压 ， 当 一0 ． 5 8时， 9 ． 9 0 1 MP a 2 3 ． 4 4 4 MP a ， 考虑到试验安全性和试验效率 ， 建 议应力 比取在 0 ． 2 ～0 ． 6 ， 此 时， 内压 1 4 ． 8 5 MP a ％ 1 9 ．8 0 2 M Pa 。 采用上述 计算 方 法 ， 当焊缝 处 应力 幅为 1 2 4 MP a ， 内腔水压分别为 8 ． 1 、 2 0 ． 0 MP a时， 环形焊缝 表面某点的轴向交变应力随时问的变化曲线如图 1 所示 。 2 5 0 2 0 0 1 5 0 j 1 O 0 霹5 O 0。O1 0 ． O 2 0 O3 O． O 4 O ． 0 5 0 ． 0 6 0．07 时间／ s 1 环形焊缝表面的轴向应力随时间的变化 3 交变弯 曲应 力的实现及计算 深水钻井隔水管疲劳试样如图 2 a 。左端固定 ， 右端通过电机带动偏心块旋转， 用以施加方向随时 间周期变化 的弯 曲应力 。在偏 心块旋转 的任一 瞬 时 ， 试 样 的受力情 况可 简化 为一个 静态 悬臂 梁 ， 如 图 2 b所 示 。 a疲劳试样尺 寸 b瞬态受力示意 ， 图 2 隔水管疲劳试样示意图 由悬臂梁的受力特点可知 ， 距离加载端越远 的 点处产生的弯矩越大 ， 应力也相应越大 ， 理论上焊缝 1 处的弯 曲应力应该最大 ， 但是由于试样受 内压， 法 兰和管体的焊接处 即焊缝 2和焊缝 3处 有几何尺 寸 的突变 ， 该位 置 的应 力相 对别 的位置 急剧 增大 ， 疲 劳试样内腔注入 2 O MP a水压时的等效应力分布情 况如图 3 。因此 ， 这 2个焊缝将成为真正 的薄弱环 节 ， 相对 3号 焊 缝 ， 2号焊 缝 离 加 载端 较 远 ， 弯 曲应 力更 大 。 ⋯⋯ 札 ． -口 i’ ’ ⋯ ．|1 i ⋯。 。啊 口 ．●_ ⋯⋯’- ．疆 -⋯ 一’I ， ● ．- | 日 图 3 深水隔水 管疲 劳试样等效应力分布云 图 以图 2 a中的 2号焊缝为研究对象 ， 此处的弯曲 应 力 一 ㈤ 式中 z 为 2号焊缝到加载点距离 ； W 为隔水管抗弯 截面系数 ； F为偏心块旋转产生的离心力 。 F I T ／ C O R 7 式中 z 为电机转速 ； R 为偏心块 重心到其旋转 中心 的距离 ； T E ／ 为偏心块质量 。 由式 6 ～ 7 可得 R a_ W 了 8 当试验电机的转速为 1 2 0 0 ～1 8 0 0 r ／ mi n时， 2 4 2 ∞ 捣 加 O 4 O 弘 卵 加 7 5 2 犍 9 1 5 鼹 ％ ∞ 疆 ∞ O O O 第 4 2 卷第 2 期 赵焕宝 ， 等 深水钻井 隔水管疲 劳试验 载荷 分析 由式 8 可知 ， 偏心块不变时 ， 电机转速 的平方与焊 缝处的弯 曲应力成正 比。当转速处 于上 限值 1 8 0 0 r ／ rai n时 ， 2号焊 缝 表面 处 的交变 弯 曲应力 会达 到最 大值。电机转速和交变应力幅的关系曲线如图 4所 示 。因此 ， 疲 劳试 验 时可 通 过 调 节 变频 电机 的转 速 来达到试验需要的交变弯曲应力幅值 。 山 塞 杂 电机转速／ r mi n 图 4 交变应力幅随电机转速 的变化 4 外 载荷计算方法验证 某国外专业公司在应力幅为 1 2 4 MP a时 ， 对海 洋深水钻井隔水管进行 了疲劳试验 ， 并且在试验之 前 ， 针 对 不 同内压 对 隔 水 管 受力 情 况 和 循 环 应 力 比 的影响进行了计算。现 以此试验数据为基础， 对本 文提出的疲劳试验外载计算方法进行验证 。 该公司计算得 出的应 力结果记为 A， 在交变弯 曲应力 幅完 全 相 同 的情 况 下 ， 根 据 本 文 提 出 的疲 劳 试验 外 载荷 计算 方法 所 得 出的应 力 结果 记 为 B 。 图 5是其循环应力比对比曲线 ， 两种 曲线极其近似 ， 其 结果 误 差在 3 以 内 。 由此 结 果 可 知 ， 循 环 应 力 比 随着隔水管内腔水压的增 大而增大 ， 并且增速逐渐 变缓 ， 当内腔水压大于 7 ． 5 MP a时 ， 隔水管处于完 全受拉状态 ， 压应力为零。 内压／ MPa 图 5 应 力比随水压力的变化 曲线 图 6 是相同情况下隔水管厚度中性面的等效应 力随水压力变化曲线 ， 显然 ， 两种计算结果几乎完全 相 同， 并且当内腔水压增加到约 1 9 ． 5 MP a时， 等效 应力达到了隔水管的强度许用值 3 2 0 MP a 。在 图 6 中的前一段曲线 横坐标 7 MP a之前 出现了差异， 经分 析 ， 这是 由于应 力强 度计 算方 法 的差异造 成 的 。 内性／ MPa 图 6 壁厚 中性 面处 的等效应 力随水压力 的变化 曲线 通过 2种结 果 的对 比和 分 析 ， 验 证 了本 文 所提 出 的疲 劳 试验外 载荷 计算 方法 的准 确性 和可行 性 。 5 结论 1 提出了一种隔水管疲劳试验外载荷的分析 计算方法 ， 并用该方法计算 出了隔水管疲劳试验时 加 载水 压 的范 围 。 2 在偏心块不变的情况下得出了交变弯曲应 力幅与加载电机转速的对应关系。因此 ， 在其他条 件不变时， 可通过改变电机转速来调节焊缝处的试 验应 力 幅的大 小 。 3 通过 和 国外某 专业公 司进 行 的深水钻 井 隔 水管 疲劳试 验 数据 对 比分 析 ， 验证 了本 文 提 出 的疲 劳试验外载荷计算方法的正确性和可行性 。 4 所提出的计算方法可作为深水钻井隔水管 疲劳试验外载荷的计算依据。 参考文 献 1- 1 ] 孙友义． 海洋钻进隔水管系统涡激振动安全评估研究 [ D ] ． 东营 中国石 油大学 华东 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] P e t e r J D， R o b i n s o n R， Gr a y V， e t a 1 ． F a t i g u e e v a l u a t i o n o f d r i l l i n g r i s e r s f o r h a r s h e n v i r o n me n t s a n d u l t r a d e e p wa t e r d e v e l o p me n t s t o a l l o w o p t i mi z e d r i s e r l i f e a n d i n s p e c t i o n p l a n s [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e S P E ／ I ADC Dr i l l i ng Co nf e r e nc e， Ams t e r d a m ， Hol l a n d， 2 0 05 ． [ 3 ] 王定亚 ， 李 爱利 ．海 洋钻井 隔水管 系统配套技 术研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 7 1 2 - 1 5 ． r 4 ] 李妍， 吴艳新 ， 高德利 ．深水钻井隔水管纵横弯曲变 形解析[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 1 1 ， 4 0 7 2 1 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