海洋平臺溫井強度計算方法研究

邵海龍,劉鴻雁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平臺溫井強度計算方法研究

邵海龍,劉鴻雁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對溫度儀表溫井強度計算工況復雜、影響因素多的特點，研究了溫井強度計算方法，提出了頻率比、穩態應力、動態應力和壓應力的計算方法。該方法可以快速、準確、直觀地了解溫度儀表溫井在流體作用下的振動情況，并判斷振動是否滿足強度要求。針對溫度儀表未通過溫井強度計算的情況，提出了相應的解決方案。該方案既保證了通過溫井強度計算，又最大限度地保證了測量精度。實測結果驗證了該方法的正確性和可行性，對于簡化設計流程和確保海洋平臺正常安全生產具有重要意義。

海洋平臺； 儀表； 感溫元件； 應力； 頻率

0 引言

溫井即溫度儀表保護套管。在使用過程中，感溫元件伸入其中，將感溫元件與流體介質相隔離，起到保護感溫元件的作用。溫井在流體的作用下會產生振動，溫井的安裝位置、管道直徑、介質流速和介質密度都會影響其振動速度和幅度，進而影響使用壽命。因此，快速、準確地掌握溫井的實際振動情況，將振動產生的影響控制在合理的范圍內，已成為海上平臺溫度儀表選型設計需首要解決的問題。

本文充分研究了影響溫井強度計算結果的各個因素，通過項目實踐，驗證了溫井強度計算方法的可行性和準確性。

1 溫井強度計算方法

海洋平臺通常采用的整體錐形鉆孔形式的溫井結構如圖1所示。

圖1 整體錐形鉆孔溫井結構圖

圖1中:A為溫井根部直徑；B為溫井尖部直徑；b為溫井齒根處圓角半徑；d為溫井內孔直徑；t為溫井尖部厚度；L為溫井長度；D=(A+B)/2。A、B、b、d、t的初始數值均可參考廠家推薦數值，如表1所示。

一般情況下，影響溫井強度計算結果的四個主要因素為頻率比、穩態應力、動態應力和壓應力。當這四者的計算結果均符合強度計算要求時，溫井才算通過強度計算[1]。

表1 溫井尺寸參數廠家推薦值

1.1 頻率比計算

頻率比計算主要是通過計算溫井自身的固有頻率和溫井在流體作用下的漩渦分離頻率(振動頻率)的比值，來判斷溫井的振動是否在允許范圍內。在不同的條件下，只有滿足特定的頻率比時，溫井才能滿足強度計算要求。這些條件主要是由軸向共振環應力、質量阻尼因子和雷諾數共同決定的。

1.1.1 固有頻率

(1)

其中：

fn=HfHa,fHa,sfa

(2)

式中：Hf、Ha,f、Ha,s均為修正系數;fa為近似固有頻率。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:ρm為環境溫度下溫井的質量密度[3]；ρs為插入溫井中感溫元件的平均密度，通常取ρs=2 700 kg/m3；E為操作溫度下的彈性模量。

1.1.2 軸向共振環應力

軸向共振環應力的判斷結果，是確定固有頻率和旋渦分離頻率(振動頻率)頻率比的一個重要條件。計算軸向共振環應力首先要確定雷諾數：

(8)

式中：V為流體正常流速;μ為流體黏度。

由不同的雷諾數可以確定不同的斯特魯哈爾數Ns和同軸諧振流速VIR[4-5]。

當22≤Re≤1 300時:

Ns=0.22(1-22/Re)

(9)

(10)

當1 300≤Re<5×105時:

Ns=0.213-0.024 8R2+0.009 5R3

(11)

(12)

當5×105≤Re<5×107時:

Ns=0.22

(13)

(14)

其中：

R=log10(Re/1 300)

(15)

a(R)=0.028 5R2-0.049 6R

(16)

循環拉應力為:

(17)

諧振條件下產生的循環應力為:

(18)

式中：Cd=0.1;ξ一般為0.000 5[6]。

拉應力和提升應力的合力So,max為：

(19)

當A/b<33時:

Kt=1.1+0.033(A/b)

(20)

當A/b≥33時:

Kt=2.2

(21)

在環應力計算時，提升應力SL為0。

疲勞應力極限為FTFESf。當FTFESf≥So,max時，溫井通過了環應力計算，否則未通過環應力計算。其中，FE為環境因子，一般取FE=1，Sf為疲勞應力幅值極限。

FT=E(T)/Eref

(22)

式中：FT為溫度修正系數;T為操作溫度。

對于A材料等級的溫井Eref=29.3×106psi(除了低鉻合金為Eref=30.9×106psi)；B材料等級的溫井Eref=28.3×106psi(除了銅鎳合金為Eref=26.0×106psi)[7]。

1.1.3 旋渦分離頻率

旋渦分離頻率fs是指溫井在流體作用下產生的頻率[8-9]：

(23)

1.1.4 質量阻尼因子

質量阻尼因子Nsc為：

Nsc=π2ξ(ρm/ρ)[1-(1/B)2]

(24)

1.1.5 合適的頻率比

由上述環應力計算結果以及雷諾數和質量阻尼因子，即可確定不同情況下的頻率比。

當Nsc>64且Re<105時，超出了標準的范圍，本文暫不研究。

1.2 穩態應力計算

穩態應力計算主要是通過比較LHS和RHS兩個數值來確定溫井是否通過強度計算。

當LHS≤RHS時，溫井通過了穩態應力計算，否則未通過穩態應力計算。

其中：

RHS=1.5S

(25)

(26)

Smax=SD+Sα

(27)

(28)

(29)

Sr=P

(30)

(31)

式中：S為最大允許工作應力；P為操作壓力；CD=1.4。

1.3 動態應力計算

動態應力計算主要是通過比較So,max和疲勞應力極限FTFESf來判斷溫井是否通過強度計算。

當So,max

其中：

(32)

(33)

(34)

式中：Cl=1。

疲勞應力極限計算方法與軸向共振環應力計算方法相同。

1.4 壓應力計算

壓應力計算主要是通過判斷溫井根部耐壓Pc和溫井尖部耐壓Pt等級與正常操作壓力之間的關系來判斷溫井是否通過強度計算。如果溫井根部耐壓和溫井尖部耐壓均大于正常操作壓力，那么溫井就通過了強度計算；否則未通過強度計算。

溫井根部的耐壓等級Pc為：

(35)

溫井尖部的耐壓等級為：

(36)

2 溫井強度計算結果分析

只有當頻率、穩態壓力、動態壓力和壓應力四個因素均通過強度計算時，溫井才通過了強度計算；如果上述任何一個因素未通過強度計算時，則溫井未通過強度計算，此時需修改溫井尺寸參數進行重新計算，直到計算通過為止。

為了保證溫井通過強度計算和測量精度，通常可以按照以下優先級順序進行溫井參數調整。

①通過增加溫井根部直徑來增大強度，可以按照整毫米數增加，從而保證計算通過；但根部直徑又不能無限增大，應保證根部直徑不超過溫井管座內徑；同時需考慮施工誤差。

②如果增加根部直徑仍不能通過強度計算，則在增加根部直徑的同時可以適當增加溫井尖部直徑，也可以以整毫米數增加，同時需要保證根部與尖部的錐度。

③如果采用上述兩種方法仍然沒有通過強度計算，則可以通過適當縮短溫井長度來保證計算通過，但一般情況下溫井深入管道長度以不低于管徑的1/3為宜。

④如果以上方法仍不能通過計算，也可以考慮在溫井根部增加加固環來增加溫井強度。

⑤如果普通材質的溫井不能通過強度計算，也可以考慮選擇高強度材料的溫井。

3 結束語

本文研究的溫井強度計算方法，對于準確掌握溫井振動情況，在溫井未通過強度計算時如何在保證測量精度的前提下調整溫井尺寸或者將精度損失降低到最小，以及對于保證測量需求、溫井使用壽命和海洋平臺正常安全生產都具有重要的指導意義。

[1] The american society of mechanical engineers.Thermowells performance test codes [S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2010:28-29.

[2] BROCK J E.Stress analysis of thermowells [R].Naval postgraduate school:Monterey,1974:5-6.

[3] DAVIS J R.Metals handbook desk edition [M].2nd Edition.Boca Raton:CRC Press,1998:3-4.

[4] IWATA K,MORISHITA M,SAKAI T,et al.Evaluation of turbulence-induced vibration of a circular cylinder in supercritical reynolds number flow [J].JSME Japan Society of Mechanical Engineers International Journal,2001,44(B):721-728.

[5] BLEVINS R D.Models for vortex induced vibration of cylinders based on measured forces [J].Journal of Fluids Engineering,2009,

131(10):101203.

[6] BLEVINS R D.Flow-induced vibration [M].2nd Edition.Krieger,Malabar:2001:5-6.

[7] The american society of mechanical engineers.Thermowells performance test codes [S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2010:26-27.

[8] ZDRAVKOVICH M M.Flow around circular cylinders [M].Oxford： Oxford University Press,1997:10-11.

[9] SAKAI T,IWATA K,MORISHITA M,et al.Vortex-induced vibration of a circular cylinder in super-critical reynolds number flow and its suppression by structure damping [J].JSME International Journal,2001,44(B):712-720.

[10]Energy Institute.Guidelines for the avoidance of vibration induced fatigue in process pipework[M].2nd Edition.London:Energy Institute,2008:12-13.

Study on the Method of Wake Frequency Calculation in the Offshore Platform

SHAO Hailong,LIU Hongyan

(Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

According to the characteristics of the thermowell wake frequency calculation,complex working conditions and so much affecting factors,the thermowell wake frequency calculation method is studied and the frequency ratio,the static stress,dynamic stress and pressure stress are put forward.The methods can help know the vibration status and judge if the thermowell wake frequency calculation result can meet the requirements quickly,exactly and illustratively.In view of situation that the thermowell doesn’t pass the wake frequency strength calculation,the proposed solution not only can help pass the calculation but also can ensure the accuracy.The experimental result proves that the correctness and feasibility of the methods，and it is very important for simplifying design process and the platform safety production.

Offshore platform; Instrument; Temperature-sensing element; Stress; Frequency

邵海龍(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事儀表控制、儀表選型的設計與研究工作。E-mail:shaohl@mail.cooec.com.cn。

TH811；TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702025

修改稿收到日期:2016-08-25