隔水管卡簧式快速接頭強度分析*

張　瑜， 王樹青

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省海洋工程重點實驗室， 山東 青島 266100)

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隔水管卡簧式快速接頭強度分析*

張瑜， 王樹青**

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省海洋工程重點實驗室， 山東 青島 266100)

摘要：隔水管是井口平臺的重要組成構(gòu)件。許多早期建設(shè)的井口平臺隔水管采用卡簧式快速接頭進行機械連接，卡簧作為主要連接構(gòu)件，其完好程度對結(jié)構(gòu)的強度有重要影響。本文針對卡簧式快速接頭，基于ANSYS建立了快速接頭有限元實體模型，找到了合理模擬卡簧與公母接頭接觸、施加端部作用力及模擬損傷破壞等問題的方法，進行了快速接頭的強度分析；并在此基礎(chǔ)上分析了卡簧完好、損傷25%、損傷50%、完全損壞情況下的接頭應(yīng)力變化，比較了卡簧損傷位置對接頭強度的影響。計算結(jié)果表明，卡簧損傷50%時卡簧對接頭幾乎沒有約束作用；卡簧的約束作用主要是由受拉一側(cè)卡簧提供。

關(guān)鍵詞：井口平臺；隔水管；快速接頭；卡簧；有限元分析；強度分析

中國淺海石油開發(fā)已有50多年歷史，很多導(dǎo)管架平臺已經(jīng)處于服役中后期。有些早期建設(shè)的海上井口平臺，隔水管采用鉆井平臺鉆機鉆入海底，每根套管之間用快速接頭實現(xiàn)海上機械式連接，以縮短海上鉆井周期。這些平臺的隔水套管不僅作為井口隔水管用，同時兼做井口平臺的基礎(chǔ)支承樁，這使得井口隔水管的受力更加復(fù)雜?？ɑ勺鳛榭焖俳宇^的主要連接構(gòu)件，對于整體結(jié)構(gòu)安全性的影響是值得研究的。目前國內(nèi)外針對服役中后期平臺的安全性研究較多[1-2]。對井口平臺隔水管的研究，主要集中在深水鉆井隔水管系統(tǒng)方面，如隔水管的振動特性、渦激振動、疲勞特性及浪、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。暢元江、陳國明等人[4]對國外深水鉆井隔水管系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀與進展的綜述，弓大為[5]等人對深水鉆井隔水管可能發(fā)生事故的總結(jié)等。而對淺海平臺隔水管，尤其是對快速接頭的研究非常有限，張宗峰等人[6]對淺海固定式平臺隔水管接頭進行了有限元分析，張怡等人[7]對隔水管密封圈進行了有限元分析，楊進等人[8]分析了快速接頭卡簧端面角度、接頭有效搭接長度及材質(zhì)與接頭結(jié)構(gòu)極限抗彎承載力的關(guān)系。關(guān)于快速接頭卡簧對接頭安全性影響方面的文章還未見報道?；诖?，本文通過大型有限元軟件ANSYS建立有限元模型，分別在卡簧不同損傷程度和不同損傷位置2種情況下，對接頭強度進行了分析，為工程安全分析提供參考。

1井口平臺整體分析

隔水管工作環(huán)境復(fù)雜，快速接頭作為隔水管的連接構(gòu)件，受力也比較復(fù)雜，為了更準(zhǔn)確的了解快速接頭的受力狀況，首先對隔水管井口平臺進行整體分析，得到快速接頭的內(nèi)力，用以快速接頭的局部強度分析。

1.1 井口平臺建模

選取工程中常見的3×2型式的六井口平臺進行整體分析，平、立面圖如圖1所示。井口平臺總高度為21 m，水面以上6 m，水中10 m，6倍樁徑處固支，入泥5 m。

圖1　井口平臺平、立面圖

通過有限元軟件ANSYS建模，泥面以上采用PIPE59單元，泥面以下采用PIPE16單元。樁腿管徑為0.762 m，壁厚為0.026 m，上部橫撐、斜撐的管徑為0.5 m，壁厚為0.02 m。建立有限元模型如圖2所示。

圖2　井口平臺有限元模型

1.2 荷載計算

本文是基于渤海環(huán)境荷載條件進行分析的，海冰對海洋建筑物的作用力是寒冷地區(qū)海洋建筑物分析的控制荷載[3]。所以，本文將針對海冰、海流、風(fēng)荷載共同作用的工況條件對井口平臺進行分析。

1.2.1 冰荷載計算根據(jù)渤海環(huán)境載荷條件，50年一遇設(shè)計冰厚為45 cm，抗壓強度2 244 MPa。參照SY/T 10030 2004[9]規(guī)定，作用于隔水管上的冰載荷按下式計算：

P=mK1K2Rcbh。

(1)

式中：m為樁柱形狀系數(shù)，對圓截面柱采用0.9；K1為局部擠壓系數(shù)；K2為結(jié)構(gòu)與冰層的接觸系數(shù)；b為結(jié)構(gòu)寬度(或直徑)；h為冰層計算厚度；R2為冰的極限抗壓強度。

對于六井口平臺，遮蔽效應(yīng)會導(dǎo)致作用于后排隔水管的冰力減小，按圖3考慮冰力折減。

圖3　冰力折減系數(shù)

1.2.2流荷載流荷載通過ANSYS的watertable施加，最大實測流速：表層114.4 cm/s，中層101.0 cm/s，底層91.5 cm/s。

海流力的計算公式為：

(2)

式中：CD為阻力系數(shù)；ρ為海水密度；UC為設(shè)計海流速度；A為構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積。

1.2.3 風(fēng)荷載基本風(fēng)壓計算時取為50年一遇的海面上10 m處的10 min的平均風(fēng)速：28.0 m/s，基本風(fēng)壓為：

p0=0.613v2。

(3)

風(fēng)壓p可以表示為：

p=CHCSp0。

(4)

式中：CH為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù)，取1.0；

CS為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)，取0.5；

作用在隔水管上的風(fēng)荷載可根據(jù)下式計算：

F=pA。

(5)

式中：A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積，單位為m2。

1.3 井口平臺靜力分析

考慮以下a、b兩種荷載工況組合，對井口平臺進行靜力分析：

(a)風(fēng)荷載+流荷載+X方向冰荷載(作用方向如圖3a所示)；

(b)風(fēng)荷載+流荷載+Y方向冰荷載(作用方向如圖3a所示)。

冰荷載為控制荷載，結(jié)構(gòu)應(yīng)在冰荷載作用處產(chǎn)生最大應(yīng)力。靜力分析結(jié)果也表明，隔水管在冰荷載作用的靜水面處應(yīng)力最大。

隔水管單根長度一般為12 m，根據(jù)井口平臺整體模型，快速接頭位于水面以下5 m處。根據(jù)井口平臺在a、b兩種荷載工況組合下的靜力分析結(jié)果，提取每種工況下快速接頭計算模型上頂面處(即水面以下2 m處)節(jié)點內(nèi)力，以此內(nèi)力作為作用于井口平臺的環(huán)境荷載對快速接頭產(chǎn)生的受力影響，用于對接頭單獨實體建模分析，提取的內(nèi)力值如表1所示。

表1　內(nèi)力

2卡簧損傷對快速接頭強度的影響

卡簧式快速接頭由公接頭、母接頭和卡簧3部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)、4(b)、4(c)所示。公接頭與母接頭分別焊接在隔水管的兩端，卡簧放置在母接頭卡槽內(nèi)，通過下放帶公接頭的隔水管，完成隔水管的連接，公母接頭連接斷面圖如圖4(d)所示。正常連接狀態(tài)下，公接頭通過卡簧向母接頭傳遞拉力[7]。因此，卡簧是快速接頭最主要的連接部件，其完整性對快速接頭整體結(jié)構(gòu)的強度具有重要的影響。

圖4　隔水管快速接頭示意圖

2.1 快速接頭建模

為了研究極限荷載作用下快速接頭的強度，以及卡簧損傷時接頭的應(yīng)力情況，現(xiàn)基于ANSYS軟件中的實體單元，對快速接頭建模。建立有限元模型時，將卡簧簡化為一個完整的卡簧圈，即不存在實際中為了安裝方便而預(yù)留的斷口，下文的計算結(jié)果也驗證了如此簡化對計算結(jié)果的影響是非常小的。

快速接頭與隔水管連接，受隔水管傳來的均布力作用，而進行快速接頭局部分析時，將均布力轉(zhuǎn)化為集中力施加于接頭上端。根據(jù)圣維南原理，在進行靜力等效變換時，距離施力點較近的地方(稱為近處)應(yīng)力將發(fā)生顯著變化，而距離施力點較遠的地方(稱為遠處)所受的影響可以不計?？焖俳宇^長度較小，為了避免近處應(yīng)力失真，在快速結(jié)構(gòu)建模時將接頭兩端各延長3倍的直徑，取2.5 m，模型如圖5所示。在該模型的端部施加約束和等效力，以減少靜力等效變換對局部接頭分析帶來的影響。

圖5　快速接頭計算模型

卡簧式快速接頭涉及到卡簧、公母接頭的連接與力的傳遞，為典型的接觸非線性分析過程，合理的模擬和非線性設(shè)置是快速接頭的強度分析的關(guān)鍵。

(1)卡簧與接頭之間作用力的合理模擬?？ɑ芍饕枪宇^用來向母接頭傳遞拉力的，只有當(dāng)卡簧完整、正常連接接頭的情況下，彼此間才會有作用力，若卡簧發(fā)生損傷，會導(dǎo)致彼此間的作用力減弱甚至消失。所以需要尋找一種模擬該作用力的方法，該方法可以根據(jù)卡簧的完整情況改變力的大小。其次，在實際工作環(huán)境中，由于受力復(fù)雜，卡簧與接頭間不僅有法向力，還有切向力的存在?；谝陨峡紤]，選擇ANSYS軟件中的接觸方法進行分析。面面接觸恰可以滿足以上卡簧與接頭的幾個特點，能較好的模擬公、母接頭以及卡簧間的相互作用力。

(2)接觸分析相關(guān)參數(shù)設(shè)置。定義公、母接頭之間以及卡簧、接頭之間的面面接觸。由于卡簧的連接作用和隔水管所受荷載的作用，接觸面間會出現(xiàn)法向作用力，用罰剛度來確定接觸面間法向作用力的大小，經(jīng)過試算，確定罰剛度為0.1?？紤]到卡簧與接頭間不僅有徑向約束力，還可能出現(xiàn)沿軸向的相對位移，定義摩擦系數(shù)為0.2，以模擬接觸面間的切向約束力。

(3)端部作用力的施加問題。在計算接頭模型端部施加內(nèi)力荷載。由于模型采用的實體單元沒有轉(zhuǎn)動自由度，無法直接施加彎矩荷載，需尋找一種合理的施加荷載的方法。了解到點單元具有6個自由度，可以直接施加彎矩荷載，所以本文通過在計算接頭上頂面處定義一個點面接觸來實現(xiàn)點與實體單元的連接，將荷載作用在該點上，再由點傳遞到快速接頭計算模型的上頂面，以解決施加彎矩荷載的問題。

(4)損傷破壞的簡化模擬?？ɑ蓳p傷的結(jié)果直接導(dǎo)致快速接頭的連接作用降低，使得公、母接頭的整體性降低，接頭與卡簧間的作用力減小甚至消失。在模擬卡簧損傷時，考慮損傷卡簧與接頭間沒有作用力的最壞情況，對損傷的卡簧部分不定義與接頭的接觸，即卡簧損傷部分不再對母接頭提供約束力。

在2種荷載工況下，分別考慮卡簧完好、卡簧損傷25%、卡簧損傷50%和卡簧完全損壞4種情況，對接頭進行強度分析，快速接頭應(yīng)力如表2所示。

表2　快速接頭應(yīng)力計算結(jié)果

以荷載工況b為例，卡簧完好和卡簧損傷50%時，公、母接頭的應(yīng)力云圖分別如圖6～9所示。

圖6　卡簧完好情況下公接頭應(yīng)力分布圖

在卡簧都是受壓側(cè)損傷的情況下，由不同損傷程度下的應(yīng)力變化情況，可以看到隨著卡簧損傷程度的增加，應(yīng)力值呈現(xiàn)增大趨勢，但每個階段的增長幅度有很大不同；卡簧由完好到損傷25%，應(yīng)力幾乎無變化；卡簧損傷程度由50%增大到100%，應(yīng)力增加值較小；但是當(dāng)損傷程度由25%增大到50%時，應(yīng)力急劇增大，接近卡簧完全損壞時的應(yīng)力值。另外，由應(yīng)力分布圖可以看出，隨著卡簧損傷程度的增大，公、母接頭的應(yīng)力分布也發(fā)生了變化，公接頭應(yīng)力急劇增大，而母接頭應(yīng)力略有減少。分析其原因為卡簧損傷導(dǎo)致公、母接頭的整體性減小，作用力在上端，由上端的公接頭向母接頭傳遞的應(yīng)力減小，主要由公接頭承擔(dān)。

圖7　卡簧完好情況下母接頭應(yīng)力分布圖

圖8　卡簧損傷50%情況下公接頭應(yīng)力分布圖

圖9　卡簧損傷50%情況下母接頭應(yīng)力分布圖

3卡簧損傷位置對快速接頭強度的影響

上一節(jié)的分析是在卡簧受壓側(cè)損傷的基礎(chǔ)上進行的。而實際工程中，卡簧損傷位置具有隨機性。為了研究損傷位置對快速接頭強度的影響，將卡簧分為4段，標(biāo)號為①、②、③、④，如圖10所示。根據(jù)卡簧的對稱位置和作用力方向，分別考慮了以下2種情況：

工況(a)：卡簧損傷25%時，分別計算卡簧①、②、③、④段損傷時的應(yīng)力，結(jié)果匯總見表3；

工況(b)：卡簧損傷50%時，分別計算卡簧①②段和②③段同時損傷時的應(yīng)力值，結(jié)果匯總見表4。

由表3可以看到，卡簧損傷位置的不同會引起接頭較大的應(yīng)力變化；對稱位置的卡簧對接頭的作用相同，比如，卡簧①、②相對于X方向的作用力位置對稱，卡簧①、②分別損傷時，快速接頭應(yīng)力分別為94.2、94.6 MPa，最大應(yīng)力幾乎相同。其次，由表可以得出，受拉一側(cè)的卡簧完好與否對接頭的影響遠大于受壓一側(cè)，只要受拉一側(cè)的卡簧有損傷，接頭應(yīng)力立刻達到最大值。

圖10　卡簧分段位置示意圖

/MPa

表4　卡簧損傷50%時快速接頭應(yīng)力計算結(jié)果

由表4可以看出，對于X方向作用力來說，損傷卡簧①、②為對稱損傷，損傷卡簧②、③為不對稱損傷，由計算結(jié)果可以看出不對稱損傷接頭的影響更大。對于Y方向的計算結(jié)果也有相同的結(jié)論。

4結(jié)論

卡簧式快速接頭以其連接快速方便的優(yōu)勢在早期淺海井口平臺中得到了較廣泛的應(yīng)用，卡簧是快速接頭的主要連接部件，其完整程度對接頭強度有重要影響。本文通過ANSYS軟件建立快速接頭有限元模型，分析比較了卡簧損傷時接頭的強度變化，得到如下結(jié)論：

(1)卡簧損傷，會導(dǎo)致快速接頭完整性降低，由公接頭向母接頭傳遞的應(yīng)力減小，使得母接頭應(yīng)力偏小于公接頭應(yīng)力，即隨著卡簧損傷程度的增加，由公接頭向母接頭傳遞的應(yīng)力減少。

(2)由卡簧損傷25%到卡簧損傷50%，引起的應(yīng)力增加值急劇增加，遠大于由卡簧損傷50%到卡簧完全損壞引起的應(yīng)力變化，可見卡簧損傷50%，卡簧對結(jié)構(gòu)的約束作用就很小了；

(3)對于作用力方向來說，對稱位置的卡簧損傷對接頭的影響效果相同；卡簧對稱損傷引起的應(yīng)力增加值比不對稱損傷?。豢ɑ蓪宇^的連接作用主要是由受拉一側(cè)的卡簧提供。

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責(zé)任編輯陳呈超

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

中圖法分類號：TE951

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)01-131-07

作者簡介：張瑜(1989-)，女，碩士。E-mail:yangfei1105@sina.com

收稿日期：2014-04-01；

修訂日期：2015-02-20

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51379196)；泰山學(xué)者工程專項經(jīng)費資助

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140114

引用格式：張瑜， 王樹青. 隔水管卡簧式快速接頭強度分析[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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

**通訊作者： E-mail：shuqing@ouc.edu.cn