自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管在環(huán)境載荷作用下的響應(yīng)分析

王 琮，李春潤(rùn)，婁 敏，劉振紋，梅燦喜

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580

作為水下井口到浮式鉆井平臺(tái)的延伸，隔水導(dǎo)管是一種在鉆探過(guò)程中不可或缺的管狀結(jié)構(gòu)，為鉆井液提供循環(huán)流動(dòng)通道，引導(dǎo)鉆桿鉆具等，是海洋鉆探過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備。隨著作業(yè)水深的增加，隔水導(dǎo)管的長(zhǎng)度也相應(yīng)變長(zhǎng)，長(zhǎng)細(xì)比大大增加，對(duì)于泥線以上部分而言，隔水導(dǎo)管不僅受到比較大的軸向載荷的作用，還要受到橫向周期性的海洋環(huán)境載荷的作用，這些載荷對(duì)隔水導(dǎo)管的強(qiáng)度和安全性都會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，因此在海洋環(huán)境條件下整個(gè)隔水導(dǎo)管系統(tǒng)受力和運(yùn)動(dòng)的情況都會(huì)變得十分復(fù)雜。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)隔水導(dǎo)管動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究較多，如采用確定性波浪力模型分析了波流聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)[1]；郭海燕等[2]從不同角度對(duì)隔水導(dǎo)管進(jìn)行了動(dòng)力分析；暢元江[3]在研究導(dǎo)向架隔水導(dǎo)管的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，借鑒對(duì)平臺(tái)進(jìn)行力學(xué)分析的“等效樁法”來(lái)近似替代泥面線以下隔水導(dǎo)管與土壤之間的非線性作用；王騰[4]利用有限元法研究懸臂自升式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)管架平臺(tái)偏移等位移荷載作用下隔水導(dǎo)管系統(tǒng)的撓曲變形響應(yīng)，但這些研究都是針對(duì)隔水導(dǎo)管兩端被鉸支或者固支這一比較簡(jiǎn)單的邊界條件。KOOB J[5]等人的研究涉及到隔水導(dǎo)管與導(dǎo)向架之間的間隙接觸條件，但研究的重點(diǎn)是間隙接觸條件對(duì)Spar平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)的影響。本文以某海區(qū)的自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管為例，將平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為剛性結(jié)構(gòu)，忽略其對(duì)隔水導(dǎo)管系統(tǒng)的影響，建立了4種隔水導(dǎo)管模型，采用P-y曲線法描述隔水導(dǎo)管與土壤的非線性相互作用，隔水導(dǎo)管在一定的入泥深度下，考慮波流聯(lián)合作用，使用ANSYS軟件作為隔水導(dǎo)管有限元分析工具，研究隔水導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到其響應(yīng)過(guò)程中的最大等效應(yīng)力與最大變形，以實(shí)現(xiàn)隔水導(dǎo)管的強(qiáng)度校核。

1 隔水導(dǎo)管系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型

1.1 基本參數(shù)設(shè)置

為得到帶導(dǎo)向架的自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管在波流聯(lián)合作用下的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其規(guī)律，采用ANSYS軟件建立有限元模型。

以65 m水深條件下的自升式鉆井平臺(tái)隔水導(dǎo)管為研究對(duì)象，隔水導(dǎo)管采用X52鋼級(jí)，外徑為26 in（1 in=24.5 mm），壁厚為 0.625 in，屈服強(qiáng)度為360 MPa，材料密度為7 800 kg/m3；隔水導(dǎo)管頂端高出海面15 m，海平面上13.5 m處用管卡固定，除垂直方向外，其他所有自由度均受管卡限制。

（1）海洋環(huán)境基本參數(shù)。正常作業(yè)海況下的有效波高為3.5 m，波浪周期為9 s，總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于海平面處，即海平面的高度為0 m。海平面以下高度分別為0、-15、-30、-45、-50、-65 m時(shí)，流速分別為2.056、1.77、1.23、0.86、0.75、0.21 m/s。計(jì)算中拖曳力系數(shù)設(shè)定為1.2，慣性力系數(shù)設(shè)定為2.0，取波浪和海流的入射角均為0°，采用Stokes 5階波浪理論Morison方程計(jì)算作用于隔水導(dǎo)管的波流聯(lián)合作用力。

（2）土壤參數(shù)。采用P-y曲線法描述隔水導(dǎo)管與土壤的相互作用，設(shè)置入泥深度為40 m。采用該方法時(shí)，泥面線以下隔水導(dǎo)管與土壤之間的非線性相互作用可通過(guò)非線性彈簧表示，將彈簧的一端固定，另一端與隔水導(dǎo)管連接。根據(jù)規(guī)范中推薦的有關(guān)公式，計(jì)算非線性彈簧的載荷位移曲線[6]，并用Combination39非線性彈簧單元來(lái)模擬土壤與結(jié)構(gòu)的非線性作用，土壤參數(shù)如表1所示。

（3）單元設(shè)置。采用PIPE59單元模擬海浪、海流載荷對(duì)隔水導(dǎo)管的作用，隔水導(dǎo)管泥面線以下部分采用PIPE16單元進(jìn)行模擬，進(jìn)行波流聯(lián)合作用下的海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)或分析時(shí)，波流之間的交互作用應(yīng)當(dāng)引起注意。ANSYS軟件中的PIPE59單元支持波流交互作用，在輸入波流剖面參數(shù)的水表（water table） 中有波流交互開(kāi)關(guān)KCRC，通過(guò)3個(gè)選項(xiàng)（KCRC=0，1，2）可以設(shè)定3種不同形式的波流交互，不同的選項(xiàng)代表由于波浪的作用，流剖面被“張緊”或者“壓縮”的程度。但隔水導(dǎo)管有關(guān)規(guī)范未對(duì)隔水導(dǎo)管分析的波流交互做出要求，這里的隔水導(dǎo)管分析也就沒(méi)有考慮波流之間的交互作用（KCRC=0）。研究證實(shí)，不考慮波流之間的交互作用將使計(jì)算結(jié)果偏于保守。

表1 土壤參數(shù)

1.2 有限元模型

1.2.1 上端支撐模型

針對(duì)工程實(shí)際中隔水導(dǎo)管上端約束，下端打入海床中的情況，采用ANSYS軟件，建立了隔水導(dǎo)管上端支撐模型，海平面上13.5 m處用管卡固定，除垂直方向外，管卡限制其他所有自由度。隔水導(dǎo)管下端插入土壤中，用P-y曲線法模擬管土相互作用，建立的模型如圖1所示。圖1～圖4中的粗實(shí)線代表分?jǐn)嗑€，沿管道的多個(gè)三角形代表對(duì)隔水導(dǎo)管的某位置處施加的約束。

圖1 上端支撐模型

1.2.2 隔水導(dǎo)管頂張力模型

針對(duì)隔水導(dǎo)管頂端施加張力，下端插入海床中的情況，采用ANSYS軟件，建立了隔水導(dǎo)管頂張力模型。此時(shí)隔水導(dǎo)管頂端除垂直方向外，其他自由度均受限制。建立的模型如圖2所示。

1.2.3 隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型

圖2 隔水導(dǎo)管頂張力模型

在隔水導(dǎo)管一定位置添加導(dǎo)向架，構(gòu)成隔水導(dǎo)管-導(dǎo)向架間隙接觸條件，以約束隔水導(dǎo)管橫向運(yùn)動(dòng)。采用ANSYS軟件，建立了隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型，隔水導(dǎo)管與導(dǎo)向架間的裝配間隙為0.006 27 m，在ANSYS有限元模型中用Contact12單元模擬導(dǎo)向架與隔水導(dǎo)管之間的間隙-接觸條件。依據(jù)工程中的設(shè)計(jì)情況，每隔10 m建立一個(gè)導(dǎo)向架，即Z=3.5、-6.5、-16.5、-26.5、-36.5、-46.5、-56.5 m位置處建立導(dǎo)向架。建立的模型如圖3所示。

圖3 隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型

1.2.4 隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型

將隔水導(dǎo)管一定位置處施加固定約束，用來(lái)限制隔水導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)工程情況，采用ANSYS軟件，建立了隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型（如圖4所示）。海平面上13.5 m處用管卡固定，向下每隔10 m將隔水導(dǎo)管用管卡，除垂直方向外，其他自由度由管卡限制，隔水導(dǎo)管下端插入土壤中，用P-y曲線法模擬管土相互作用。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 相同海洋環(huán)境載荷作用下的計(jì)算結(jié)果

圖4 隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型

依據(jù)建立的4種隔水導(dǎo)管模型，采用ANSYS軟件的APDL，完成了4種模型在波流聯(lián)合作用下的非線性分析，得到了隔水導(dǎo)管的最大變形和最大等效應(yīng)力，如表2所示。

表2 四種模型的變形和應(yīng)力情況

由表2可知，在海洋環(huán)境載荷作用下，上端支撐模型的變形和應(yīng)力最大，然后依次是隔水導(dǎo)管頂張力模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型。導(dǎo)向架在隔水導(dǎo)管振動(dòng)過(guò)程中均較好地抑制了隔水導(dǎo)管的橫向振動(dòng)，這表明采用Contact12單元來(lái)模擬隔水導(dǎo)管與導(dǎo)向架之間的間隙接觸邊界條件是可行的。

2.2 環(huán)境參數(shù)變化下的計(jì)算結(jié)果

為研究各個(gè)海洋環(huán)境載荷對(duì)隔水導(dǎo)管作用的影響，對(duì)于每一種模型，改變海洋環(huán)境參數(shù)，分析環(huán)境載荷的變化對(duì)隔水導(dǎo)管作用的影響。改變波高，隔水導(dǎo)管的變形和應(yīng)力如表3所示；改變海流流速，隔水導(dǎo)管的變形和應(yīng)力如表4所示。

由表3可知：在相同波高作用下，變形和應(yīng)力最大的是上端支撐模型，然后依次是隔水導(dǎo)管頂張力模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型；在不同的波高作用下，隨著波高的增加，上端支撐模型、隔水導(dǎo)管頂張力模型的變形及應(yīng)力也在增加，這對(duì)隔水導(dǎo)管的安全作業(yè)提出挑戰(zhàn)；在不同的波高作用下，隨著波高的增加，隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型的變形及應(yīng)力變化很小，這說(shuō)明導(dǎo)向架均較好地抑制了隔水導(dǎo)管的橫向運(yùn)動(dòng)。因此，這兩種模型的約束條件較好，在一定波高范圍內(nèi)能保障隔水導(dǎo)管的作業(yè)安全。

表3 波高對(duì)隔水導(dǎo)管變形及應(yīng)力的影響

表4 流速對(duì)隔水導(dǎo)管變形及應(yīng)力的影響

由表4可知：隨著流速的增大，上端支撐模型、頂張力模型的變形和應(yīng)力也在不斷增加，因此流速對(duì)隔水導(dǎo)管的變形和應(yīng)力有重要的影響；在相同的海流流速作用下，變形最大的是上端支撐模型，然后依次是隔水導(dǎo)管頂張力模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型；流速的增大，對(duì)隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型和固定模型的應(yīng)力和位移有影響，但其影響很小，這是由于這兩種模型對(duì)隔水導(dǎo)管的約束作用較好，在實(shí)際工程中可以采用這兩種模型保障隔水導(dǎo)管的作業(yè)安全。

3 結(jié)論

針對(duì)建立的4種隔水導(dǎo)管模型，考慮波流聯(lián)合作用，分析隔水導(dǎo)管在環(huán)境載荷作用下的變形和應(yīng)力情況，得出以下結(jié)論：

（1）在相同海洋環(huán)境載荷作用下，上端支撐模型的變形和應(yīng)力最大，然后依次是隔水導(dǎo)管頂張力模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型。

（2）隨著波高、流速的增加，上端支撐模型、隔水導(dǎo)管頂張力模型的變形及應(yīng)力也在增加，但隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架間隙模型、隔水導(dǎo)管導(dǎo)向架固定模型的變形及應(yīng)力變化很小，說(shuō)明導(dǎo)向架較好地抑制了隔水導(dǎo)管的橫向運(yùn)動(dòng)。

（3）設(shè)計(jì)的4種隔水導(dǎo)管模型的最大應(yīng)力都小于360 MPa，滿足隔水導(dǎo)管的強(qiáng)度校核要求。

[1]SY/T5322-2000，套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法[S].

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