CN102288349B

CN102288349B - 一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法

Info

Publication number: CN102288349B
Application number: CN 201110161176
Authority: CN
Inventors: 黄维平; 吴学敏; 刘娟; 李倩; 魏东泽; 段金龙; 孟庆飞; 周阳
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: CN102288349A

Abstract

本发明涉及海洋深水立管的研究试验方法，具体涉及一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法。该方法将模型管线的下端固定在内压水箱上，将模型管线的上端连接弹簧拉力计，在模型管线外部设有外压水筒，在模型管线不同位置上设置应变计，并设置用于测量管线内压的压力表；然后进行顶张力试验、内压作用的有效张力试验、有内外压作用的有效张力试验和外压作用的有效张力试验。本发明可以完成深水顶张式立管的顶张力和有效张力试验研究，为深水顶张式立管的顶张力和有效张力计算提供依据和试验验证。

Description

一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究试验方法，具体涉及一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法。

背景技术

深水顶张式立管是深水海洋立管的一种主要类型，立管的下端与海底井口连接，管壁张力直接作用在井口上，而管内的流体源源不断地从海底穿过立管流向浮式平台。深水顶张式立管的顶张力计算是设计和分析的基础，如果顶张力设计值偏低，则有可能造成立管的压曲，顶张力设计值偏高则可能造成立管断裂。而且顶张力还直接关系到立管固有频率的计算，如果顶张力计算的不准确，则设计的固有频率可能与立管实际的固有频率产生较大的偏差，严重时，可能造成立管的固有频率与海洋环境荷载的卓越频率接近而引发共振。因此，准确地计算立管的顶张力对于立管的设计分析和研究都有着重要的意义。

目前，立管的顶张力是采用设计顶张力系数乘以立管及管内流体在海水中的重量，即认为立管内的流体重量对管壁张力有贡献。具体计算公式如下：

T_top＝f_T·(W_riser+W_fluid-W_{displacedwater}) (1)

式中：T_top为立管的顶张力；

f_T为顶张力系数；

W_riser为立管的重量；

W_fluid为立管内流体的重量；

W_{displacedwater}为立管排开水的重量。

而实际上，立管的底端是连接在海底井口上的，正常生产时，管内的流体从油井穿过立管流向水面的浮式平台，无论立管在顶张力的作用下发生怎样的轴向变形，只要立管的横截面不折曲，流体的流动都不会受到影响。因此，立管内流动的流体对顶张力没有影响。除非海底井口的阀门关闭，被锁定在立管内的流体重量可能对立管的顶张力有贡献，不过，这也未得到证实。

深水顶张式立管的有效张力是立管设计和分析的另一个重要参数，它直接影响到立管的几何刚度计算，从而影响立管的动力特性和响应计算，直至影响立管的疲劳设计分析。如果有效张力计算值不准确，则立管的几何刚度计算值与立管实际的几何刚度产生偏差，可能造成立管的固有频率与海洋环境荷载的卓越频率接近而引发共振。

目前，深水顶张式立管的有效张力是基于浮力原理和平衡条件分析得到的，可表示为：

T_e＝T_w-p_iA_i+p₀A₀ (2)

式中：T_w为立管管壁张力；

p_i，p₀分别为立管的内、外流体的压力，其中p_i不包括静水头压力；

A_i，A₀分别为立管的内、外壁横截面积。

其中假设立管的微元段(包括内部流体)两端直接受到海水的作用，这与实际情况有较大的差异。立管的下端与海底井口连接，上端高于海平面，因此，立管的任何一个微元段两端都不受海水的直接作用，上述有效张力计算公式中与外压有关的项是不合理的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有深水顶张式立管研究的缺陷，提供一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，为深水顶张式立管的顶张力和有效张力计算提供依据和试验验证。

本发明的技术方案如下：一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，该方法将模型管线的下端固定在内压水箱上，将模型管线的上端通过弹簧拉力计连接到试验用的反力架上，在模型管线外部设有外压水筒，在模型管线不同位置上设置若干应变计，并设置用于测量管线内压的压力表；

然后进行如下试验：

首先，向模型管线内充水，保持系统内的水正常流动，使压力表和应变计的读数为零；然后，通过张紧弹簧拉力计对模型管线施加顶张力，使应变计的最小应变值达到200～1000个微应变，记录弹簧拉力计和应变计的读数；

进行顶张力试验，使模型管线内的水停止流动，并保持模型管线内的水量与正常流动时相等，保持压力表读数为零，记录弹簧拉力计和应变计的读数；对弹簧拉力计和应变计的测试数据进行分析，对比系统内水正常流动和不流动两种状态条件下模型管线的顶张力和管壁张力；如果多次试验结果表明两种状态的顶张力和管壁张力相等，则验证了管内流体的重量对顶张力没有影响，因此，顶张力计算时不应计算管内流体的重量；如果两种状态的顶张力和管壁张力不相等，应对两种状态的顶张力和管壁张力差值进行分析，如果该差值与管内流体重量引起的顶张力和管壁张力的增量吻合，则顶张力计算时应计算管内流体的重量，否则，应将该差值视为试验误差。

进一步，如上所述的深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，其中，还包括内压作用的有效张力试验，内容如下：

增加模型管线的管内流体压力，使管内流体压力达到模型管线的标称压力，记录弹簧拉力计、压力表和应变计的读数；将压力表和应变计的测试数据代入有效张力计算公式，计算出应变计所在截面的有效张力，然后根据模型管线的轴向平衡条件，分析应变计所在截面的有效张力与弹簧拉力计代表的顶张力的平衡问题，如果各截面的有效张力与顶张力满足平衡条件，则内压作用条件满足有效张力计算公式；否则，有效张力的计算公式是不正确的；有效张力计算公式如下：

T_e＝T_w-p_iA_i+p₀A₀

式中：T_w为立管管壁张力；

A_i，A₀分别为立管的内、外壁横截面积。

更进一步，如上所述的深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，其中，还包括内外压作用的有效张力试验，内容如下：

保持所述的内压作用的有效张力试验的试验状态，将外压水筒充满水，记录弹簧拉力计、压力表和应变计的读数，将压力表和应变计的测试数据代入有效张力计算公式，计算出应变计所在截面的有效张力，得到内外压作用条件下的有效张力计算结果，并根据平衡条件确定有效张力计算公式的正确与否。

更进一步，如上所述的深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，其中，还包括外压作用的有效张力试验，内容如下：

保持所述的内外压作用的有效张力试验的试验状态，使模型管线的管内流体压力降至零，记录弹簧拉力计和应变计的读数，将压力表和应变计的测试数据代入有效张力计算公式，计算出应变计所在截面的有效张力，得到外压作用条件下的有效张力计算结果，并根据平衡条件确定有效张力计算公式的正确与否。

本发明的有益效果如下：本发明通过张紧或松弛弹簧拉力计可改变模型管线的顶张力，通过短管与内压水箱固结来模拟立管与海底井口的连接，可以选择零内压和最大内压之间的多个压力分别进行顶张力试验、内压作用的有效张力试验、内外压作用的有效张力试验和外压作用的有效张力试验，更充分地验证深水顶张式立管的有效张力计算公式的正确性。本发明可以完成深水顶张式立管的顶张力和有效张力试验研究，为深水顶张式立管的顶张力和有效张力计算提供依据和试验验证。

附图说明

图1为本发明的试验方法流程图；

图2为本发明所采用的试验装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

如图1所示，深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验装置包括设置在底座11上的支架12，底座11与支架12焊接连接，支架12上端设有反力架13，反力架13与支架12焊接连接。模型管线1上端设有卡盘14，反力架13通过弹簧与卡盘14连接。卡盘14与卡盘支架15焊接连接，加强板16与卡盘支架15焊接连接，滑槽17与卡盘支架15和加强板16焊接连接，滑道18与支架12焊接连接，滑槽17可在滑道18上自由滑动。在反力架13与卡盘14之间的弹簧上设有弹簧拉力计21，通过张紧或松弛弹簧拉力计21，可改变模型管线1的顶张力。模型管线1外设有外压水筒2，外压水筒2上设有卡箍19，卡箍19与卡箍支架20焊接连接后，焊接固定在支架12上，外压水筒2通过卡箍19固定在支架12上。应变计22、23和24粘贴在模型管线1的上、中、下三个截面，模型管线1穿过外压水筒2的筒底处采用玻璃胶密封，使其具有一定的弹性，不影响拉伸变形。模型管线1的上端装有压力表25，下端通过入口阀门4及短管26与内压水箱3连通，短管26与内压水箱3固结，以模拟立管与海底井口的连接。模型管线1的上部通过回流管6与蓄水箱7连接，回流管6上设有出口阀门5，蓄水箱7与内压水箱3之间设有水泵8，水泵8的入口管10连接蓄水箱7，水泵8的出口管9连接内压水箱3。

基于上述装置的本发明具体试验方法如下：

向蓄水箱7内充水，同时开启入口阀门4和出口阀门5，启动水泵8，使系统内充水至回流管6的水流入蓄水箱7，待蓄水箱7的水位略低于回流管6的下端口时停止充水。

保持系统内的水正常流动，使压力表25和应变计22、23、24的读数为零。然后张紧弹簧拉力计21，使应变计22、23和24的最小应变值达到200～1000个微应变，记录弹簧拉力计21和应变计22、23、24的读数。

一、顶张力试验

关闭水泵8，同时关闭出口阀门5和入口阀门4，观察压力表25的读数是否变化，如果压力不为零，则略微开启阀门5释放压力，使压力表读数降至零并迅速关闭阀门5，以保持模型管内的水量与正常流动时相等，观察弹簧拉力计21和应变计22、23、24的读数是否发生变化，记录弹簧拉力计21和应变计22、23、24的读数。

为了保证试验结果的可靠性，上述试验应重复进行三次以上。

对弹簧拉力计21和应变计22、23、24的测试数据进行分析，对比系统内水正常流动和不流动两种状态条件下模型管线1的顶张力和管壁张力。如果多次试验结果的读数表明两种状态的顶张力和管壁张力相等，则验证了管内流体的重量对顶张力没有影响，因此，顶张力计算时不应计算管内流体的重量。如果两种状态的顶张力和管壁张力不相等，应对两种状态的顶张力和管壁张力差值进行分析，如果该差值与管内流体重量引起的顶张力和管壁张力的增量吻合，则顶张力计算时应计算管内流体的重量，否则，应将该差值视为试验误差。

由于重力的影响，不同截面的管壁张力是不同的，由于静水压力随高度变化，因此，不同截面的流体压力也是不同，该试验方法在三个截面设计应变计就是为了计算各截面的有效张力，以验证重力对顶张力的贡献和内外压对有效张力的影响。管壁张力是三处分别计算，以便计算三处的有效张力。

二、内压作用的有效张力试验

开启入口阀门4和水泵8，使模型管线1的管内流体压力升高。为了提高试验的信噪比，管内流体压力应达到模型管线1的标称压力(标称压力是管材制造商给定的，标称压力是管线最大压力的0.8倍。因此，也可以根据管线的尺寸计算得到)。压力升至预定压力后，关闭入口阀门4，保持管内压力不变，记录弹簧拉力计21、压力表25和应变计22、23、24的读数。

将压力表25和应变计22、23、24的测试数据代入有效张力计算公式(背景技术中的公式(2))，计算出应变计22、23和24所在截面的有效张力，然后根据模型管线1的轴向平衡条件，分析应变计22、23和24所在截面的有效张力与弹簧拉力计21代表的顶张力的平衡问题，如果各截面的有效张力与顶张力满足平衡条件，则内压作用条件满足有效张力计算公式(2)。否则，有效张力计算公式(2)是不正确的。

有效张力计算公式如下：

T_e＝T_w-p_iA_i+p₀A₀ (2)

式中：T_w为立管管壁张力；

A_i，A₀分别为立管的内、外壁横截面积。

立管内流体压力通过压力表测量，立管外流体压力是静水压力，可根据水深和水的密度计算得到，静水压力计算是公知技术。

上述平衡条件指的是任何一个截面的有效张力应与顶张力和截面以上立管及内部流体的重力平衡。由于顶张力是弹簧拉力计测出的，而有效张力是根据公式计算得到的，因此，如果二者不满足平衡条件，则说明顶张力的计算不正确。

三、内外压作用的有效张力试验

保持上述内压作用的有效张力试验的试验状态不变，将外压水筒2充满水，记录弹簧拉力计21、压力表25和应变计22、23、24的读数。

重复内压作用的有效张力试验中相同的计算，得到内外压作用条件下的有效张力计算结果，并根据平衡条件确定有效张力计算公式(2)的正确与否。

四、外压作用的有效张力试验

开启出口阀门5，使模型管线1的管内流体压力降至零，迅速关闭出口阀门5。然后，记录弹簧拉力计21和应变计22、23、24的读数。

重复内压作用的有效张力试验中相同的计算，得到外压作用条件下的有效张力计算结果，并根据平衡条件确定有效张力计算公式(2)的正确与否。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种深水顶张式立管的顶张力及有效张力试验方法，其特征在于：该方法将模型管线的下端固定在内压水箱上，将模型管线的上端连接弹簧拉力计，在模型管线外部设有外压水筒，在模型管线不同位置上设置若干应变计，并设置用于测量管线内压的压力表；

然后进行如下试验：

进行顶张力试验，使模型管线内的水停止流动，并保持模型管线内的水量与正常流动时相等，保持压力表读数为零，记录弹簧拉力计和应变计的读数；对弹簧拉力计和应变计的测试数据进行分析，对比系统内水正常流动和不流动两种状态条件下模型管线的顶张力和管壁张力；如果多次试验结果表明两种状态的顶张力和管壁张力相等，则验证了管内流体的重量对顶张力没有影响，因此，顶张力计算时不应计算管内流体的重量；如果两种状态的顶张力和管壁张力不相等，应对两种状态的顶张力和管壁张力差值进行分析，如果该差值与管内流体重量引起的顶张力和管壁张力的增量吻合，则顶张力计算时应计算管内流体的重量，否则，应将该差值视为试验误差；

该方法还包括内压作用的有效张力试验，内容如下：

增加模型管线的管内流体压力，使管内流体压力达到模型管线的标称压力，记录弹簧拉力计、压力表和应变计的读数；将压力表和应变计的测试数据代入有效张力计算公式，计算出应变计所在截面的有效张力，然后根据模型管线的轴向平衡条件，分析应变计所在截面的有效张力与弹簧拉力计代表的顶张力的平衡问题，如果各截面的有效张力与顶张力满足平衡条件，则无外压条件满足有效张力计算公式；否则，有效张力的计算公式是不正确的；有效张力计算公式如下：

T_e＝T_w-p_iA_i+p_oA_o

式中：T_w为立管管壁张力；

p_i，p_o分别为立管的内、外流体的压力，其中p_i不包括静水头压力；

A_i，A_o分别为立管的内、外壁横截面积；

该方法还包括内外压作用的有效张力试验，内容如下：

保持所述的内压作用的有效张力试验的试验状态，将外压水筒充满水，记录弹簧拉力计、压力表和应变计的读数，将压力表和应变计的测试数据代入有效张力计算公式，计算出应变计所在截面的有效张力，得到内外压作用的有效张力计算结果，并根据平衡条件确定有效张力计算公式的正确与否；

该方法还包括外压作用的有效张力试验，内容如下：

保持所述的内外压作用的有效张力试验的试验状态，使模型管线的管内流体压力降至零，记录弹簧拉力计和应变计的读数，将压力表和应变计的测试数据代入有效张力计算公式，计算出应变计所在截面的有效张力，得到外压作用的有效张力计算结果，并根据平衡条件确定有效张力计算公式的正确与否。