自升式鉆井平臺隔水導管在環境載荷作用下的響應分析

王 琮，李春潤，婁 敏，劉振紋，梅燦喜

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580

作為水下井口到浮式鉆井平臺的延伸，隔水導管是一種在鉆探過程中不可或缺的管狀結構，為鉆井液提供循環流動通道，引導鉆桿鉆具等，是海洋鉆探過程中的關鍵設備。隨著作業水深的增加，隔水導管的長度也相應變長，長細比大大增加，對于泥線以上部分而言，隔水導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境載荷的作用，這些載荷對隔水導管的強度和安全性都會產生比較大的影響，因此在海洋環境條件下整個隔水導管系統受力和運動的情況都會變得十分復雜。

目前，國內外有關隔水導管動態響應的研究較多，如采用確定性波浪力模型分析了波流聯合作用下的動力響應[1]；郭海燕等[2]從不同角度對隔水導管進行了動力分析；暢元江[3]在研究導向架隔水導管的動力響應時，借鑒對平臺進行力學分析的“等效樁法”來近似替代泥面線以下隔水導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運動、導管架平臺偏移等位移荷載作用下隔水導管系統的撓曲變形響應，但這些研究都是針對隔水導管兩端被鉸支或者固支這一比較簡單的邊界條件。KOOB J[5]等人的研究涉及到隔水導管與導向架之間的間隙接觸條件，但研究的重點是間隙接觸條件對Spar平臺整體運動的影響。本文以某海區的自升式鉆井平臺隔水導管為例，將平臺結構作為剛性結構，忽略其對隔水導管系統的影響，建立了4種隔水導管模型，采用P-y曲線法描述隔水導管與土壤的非線性相互作用，隔水導管在一定的入泥深度下，考慮波流聯合作用，使用ANSYS軟件作為隔水導管有限元分析工具，研究隔水導管的運動響應，得到其響應過程中的最大等效應力與最大變形，以實現隔水導管的強度校核。

1 隔水導管系統數值計算模型

1.1 基本參數設置

為得到帶導向架的自升式鉆井平臺隔水導管在波流聯合作用下的非線性動態響應及其規律，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隔水導管為研究對象，隔水導管采用X52鋼級，外徑為26 in（1 in=24.5 mm），壁厚為 0.625 in，屈服強度為360 MPa，材料密度為7 800 kg/m3；隔水導管頂端高出海面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）海洋環境基本參數。正常作業海況下的有效波高為3.5 m，波浪周期為9 s，總體坐標系的原點位于海平面處，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，流速分別為2.056、1.77、1.23、0.86、0.75、0.21 m/s。計算中拖曳力系數設定為1.2，慣性力系數設定為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方程計算作用于隔水導管的波流聯合作用力。

（2）土壤參數。采用P-y曲線法描述隔水導管與土壤的相互作用，設置入泥深度為40 m。采用該方法時，泥面線以下隔水導管與土壤之間的非線性相互作用可通過非線性彈簧表示，將彈簧的一端固定，另一端與隔水導管連接。根據規范中推薦的有關公式，計算非線性彈簧的載荷位移曲線[6]，并用Combination39非線性彈簧單元來模擬土壤與結構的非線性作用，土壤參數如表1所示。

（3）單元設置。采用PIPE59單元模擬海浪、海流載荷對隔水導管的作用，隔水導管泥面線以下部分采用PIPE16單元進行模擬，進行波流聯合作用下的海洋結構物設計或分析時，波流之間的交互作用應當引起注意。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的水表（water table） 中有波流交互開關KCRC，通過3個選項（KCRC=0，1，2）可以設定3種不同形式的波流交互，不同的選項代表由于波浪的作用，流剖面被“張緊”或者“壓縮”的程度。但隔水導管有關規范未對隔水導管分析的波流交互做出要求，這里的隔水導管分析也就沒有考慮波流之間的交互作用（KCRC=0）。研究證實，不考慮波流之間的交互作用將使計算結果偏于保守。

表1 土壤參數

1.2 有限元模型

1.2.1 上端支撐模型

針對工程實際中隔水導管上端約束，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中的粗實線代表分斷線，沿管道的多個三角形代表對隔水導管的某位置處施加的約束。

圖1 上端支撐模型

1.2.2 隔水導管頂張力模型

針對隔水導管頂端施加張力，下端插入海床中的情況，采用ANSYS軟件，建立了隔水導管頂張力模型。此時隔水導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 隔水導管導向架間隙模型

圖2 隔水導管頂張力模型

在隔水導管一定位置添加導向架，構成隔水導管-導向架間隙接觸條件，以約束隔水導管橫向運動。采用ANSYS軟件，建立了隔水導管導向架間隙模型，隔水導管與導向架間的裝配間隙為0.006 27 m，在ANSYS有限元模型中用Contact12單元模擬導向架與隔水導管之間的間隙-接觸條件。依據工程中的設計情況，每隔10 m建立一個導向架，即Z=3.5、-6.5、-16.5、-26.5、-36.5、-46.5、-56.5 m位置處建立導向架。建立的模型如圖3所示。

圖3 隔水導管導向架間隙模型

1.2.4 隔水導管導向架固定模型

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

2 計算結果及分析

2.1 相同海洋環境載荷作用下的計算結果

圖4 隔水導管導向架固定模型

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

表2 四種模型的變形和應力情況

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

2.2 環境參數變化下的計算結果

為研究各個海洋環境載荷對隔水導管作用的影響，對于每一種模型，改變海洋環境參數，分析環境載荷的變化對隔水導管作用的影響。改變波高，隔水導管的變形和應力如表3所示；改變海流流速，隔水導管的變形和應力如表4所示。

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

表3 波高對隔水導管變形及應力的影響

表4 流速對隔水導管變形及應力的影響

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

3 結論

針對建立的4種隔水導管模型，考慮波流聯合作用，分析隔水導管在環境載荷作用下的變形和應力情況，得出以下結論：

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

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

（3）設計的4種隔水導管模型的最大應力都小于360 MPa，滿足隔水導管的強度校核要求。

[1]SY/T5322-2000，套管柱強度設計方法[S].

[2]郭海燕，王樹青，劉德輔.海洋環境荷載下輸液立管的靜、動力特性研究[J].中國海洋大學學報，2001，31（4）：605-611.

[3]暢元江，陳國明.導向架隔水管在波流聯合作用下的非線性動力響應[J].中國石油大學學報（自然科學版），2006，30（5）：74-77.

[4]王騰，管志川.懸臂自升式鉆井平臺運動對隔水導管的響應[J].中國石油大學學報（自然科學版），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.

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