深水鉆井隔水管在海洋動態載荷下的密封試驗技術研究

葉銳，李瑞東，高成，孫艷超，史婧穎，周華妮

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

在海洋石油鉆采的過程中隔水管系統是其重要的技術設備，而隔水管的性能好壞直接影響了海洋石油的鉆采效率，同時隔水管出現問題后維修難度大，維修費用昂貴，因此對隔水管的密封性能的試驗就顯得格外的重要。

現有已知國內外隔水管性能試驗中，并沒有對隔水管整體密封性能進行研究的方法，因此科研人員對隔水管整體密封性能的試驗問題展開了大量的研究工作。在反復論證過程中，認為彎曲共振原理，不但能夠模擬水下彎曲情況，而且在試驗效率上非常的理想。因此需要對相應的試驗數據進行分析，來為現場試驗進行理論指導，并對相應的試驗臺的建設及改造提供理論依據。

1 技術分析

1.1 試樣結構

試樣結構選擇三段結構，三段結構便于裝卸和調整長度，有利于產生不同的共振頻率[1]。隔水管單根疲勞試件3種結構如圖1所示，試件整體長度為9 m，中間段長度3 m。

圖1 隔水管單根疲勞試件3種結構

1.2 模型建立

采用ANSYS Workbench軟件為模態計算分析平臺[4]，建立3種隔水管全尺寸疲勞試件的模型，根據對模型的分析和有限元求解計算需要對實際模型進行了簡化，把邊管和隔水管主體處理為剛性連接。試驗時，試件內充滿水，試件兩端有激振裝置和配重連接套，水的質量和配重質量對試件的固有頻率有很大影響，因此在計算時將其質量等效施加在試件相應位置，各模型結構如圖2所示[2-3]。

圖2 疲勞試樣有限元模型

針對3種結構模型分別進行了前12階的自由模態計算，其中1～6階模態為試件各自由度方向的剛體模態，無意義。9階以上為試件的多次彎曲和復雜彎曲模態，不符合共振彎曲疲勞試驗方法，不予考慮。7階、8階模態為試件橫截面兩個方向的一次彎曲振動模態，在此僅討論試件的7階、8階模態計算結果。

2 結果分析

2.1 安裝5根邊管時有限元分析

圖3為5根邊管試件模型7階、8階模態計算結果，由圖可知，5根邊管模型2個方向的一次彎曲固有頻率也不相同，但相差較小，7階頻率為32.273 Hz，8階時為34.846 Hz，這是因為邊管在主管圓周方向分布較均勻，因此試件2個方向的剛度相差較小，試件彎曲振動的零點位置均在外側法蘭與主管的過渡處。

圖3 一次彎曲振動模態

圖4為5根邊管試件模型一次彎曲振動模態對應的軸向應力分布情況，7階、8階模態中應力最大位置均出現在外側法蘭與主管過渡位置處，這是因為中間隔水管單根2個彎曲方向抗彎強度都較大，而外側法蘭與主管過度位置抗彎強度小。

圖4 一次彎曲振動模態下的應力分布

5根邊管試件一次彎曲振動形態的2個彎曲方向固有頻率雖然相差不大，應力分布也類似，但是應力最大位置并未出現在隔水管單根中間位置，而是在外側法蘭與主管的過度位置，此處為振動零點，是試件支撐位置，并不屬于試驗關注位置，但疲勞試驗中卻會最先疲勞破壞，導致試驗中斷。同時，該模型固有頻率都高于30 Hz，現有試驗臺無法激振，達不到共振彎曲狀態，當前條件下暫時無法基于該模型開展試驗。

2.2 安裝2根邊管時有限元分析

圖5為2根邊管試件模型7階、8階模態計算結果，由此可知，2根邊管模型2個方向的一次彎曲固有頻率不相同，且差別較大，7階時頻率為21.819 Hz，8階時為33.315 Hz，這是因為試件2個方向的剛度相差較大，試件彎曲振動的零點位置均在外側法蘭與主管的過渡處，而8階彎曲模態中零位移點更靠外側一些。

圖5 一次彎曲振動模態

圖6為2根邊管試件模型一次彎曲振動模態對應的軸向應力分布情況，7階模態中應力最大位置在單根的中間管壁處，8階模態中應力最大位置在外側法蘭與主管過渡位置處。

由于2根邊管試件一次彎曲振動形態的2個彎曲方向固有頻率相差較大，應力分布也不同，采用旋轉激振的方式僅能激發試件在其較低固有頻率下達到共振彎曲狀態，即7階振動模態對應的固有頻率21.819 Hz，在該共振彎曲狀態下，試件中間橫截面圓周上的交變彎曲應力幅值將不同，只有在剛度最小的方向上應力幅值最大，即圖6（a）所示狀態，因此，在這種共振彎曲狀態下，不能檢測到主管圓周方向疲勞強度最低的位置。間管壁處，7階、8階模態下應力分布位置一致，僅方向間隔90°。

圖6 一次彎曲振動模態下的應力分布

2.3 無邊管時有限元分析

圖7 7階、8階振動模態

圖8 7階、8階振動模態應力分布

由于無邊管試件一次彎曲振動形態的2個彎曲方向固有頻率一致，零位移點相同，應力分布也一致，因此可以采用旋轉激振的方式激發試件達到共振彎曲狀態，并且在試件中間橫截面圓周上的交變彎曲應力幅值相同，完全滿足共振彎曲疲勞試驗的條件。

3 結論

本文的目的是想檢測隔水管單根在未出現主管體焊縫疲勞破壞前，隔水管帶邊管并在彎曲情況下的密封性能。通過以上分析，獲得以下結論：1）在隔水管振動彎曲疲勞試驗臺上試驗具有一定的學術意義，可以獲得主管與邊管疲勞壽命的大概關系；2）隔水管振動彎曲疲勞試驗臺現有激振能力、安裝條件暫不能具備；3）該試驗方案是在考慮主管軸向應力最大時進行的試驗，并沒有實現最大彎矩。