CN106907534A - 一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法 - Google Patents

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狄勤丰
陈锋
王文昌
余荣华
张鹤
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SHANGHAI HAILONG PETROLEUM PIPE MATERIAL INSTITUTE
HILONG PETROLEUM INDUSTRY GROUP Co Ltd
University of Shanghai for Science and Technology
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SHANGHAI HAILONG PETROLEUM PIPE MATERIAL INSTITUTE
HILONG PETROLEUM INDUSTRY GROUP Co Ltd
University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明提供一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法，其利用专用测量工具测定多层非粘结柔性管的结构参数，通过材料拉伸实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数，借助有限元前处理软件对多层非粘结柔性管三维几何模型进行网格划分，考虑层内、层间摩擦接触，建立柔性管三维有限元模型，并利用非线性有限元分析软件ABAQUS进行计算，得到多层非粘结柔性管在轴向拉伸载荷作用下的应力特征。基于各功能层的von Mises应力峰值和各功能层相应的材料屈服强度，计算确定各功能层在当前载荷工况条件下的安全系数，以各功能层安全系数最小值为依据，实现快速评价多层非粘结柔性管抗拉性能的目的。其对认清轴向拉力作用下多层非粘结柔性管的应力分布特征、明确多层非粘结柔性管的抗拉性能，确保作业安全具有十分重要的意义。

Description

一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法
技术领域
本发明涉及油田钻井技术领域，特别是一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法。
背景技术
非粘结柔性管道是海洋油气资源开采中必不可少的装备，随着人类深海进军步伐的不断迈进，其所面临的海洋环境也越来越恶劣，柔性管受到的轴向拉力也越来越大。为了确保柔性管能满足苛刻的服役环境，应在使用前评估其抗拉性能。
全尺寸实物实验是评价柔性管综合力学性能的可靠方法，然而其费用高、周期长，且不能直观地反映复杂载荷作用下柔性管内部的受力特征。采用数值模拟手段评价柔性管综合性能是对实验评估方法的有力补充。针对海洋工程中非粘结柔性管道的特点国内外学者其结构分析上做了大量的工作。然而非粘结柔性管道的结构分析非常复杂，目前大部分研究人员所用模型要么对模型作了大量简化，要么未考虑层间摩擦接触特征，因此所得结果与柔性管真实受力特征存在一定的差距。
本专利建立柔性管三维全尺寸有限元模型，考虑层内、层间的摩擦接触，分析典型载荷作用下柔性管各层间的相互作用，结合轴向力作用下柔性管的应力分布状态特征，确定多层非粘结柔性管各功能层抗拉安全系数，形成柔性管的抗拉性能快速评价方法。
发明内容
针对当前多层非粘结柔性管抗拉性能评价方法中存在的问题，本发明的目的是提供一种确定多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法，以更好地反映柔性管在真实复杂载荷工况条件下的受力特征，保证其使用安全。采用三维有限元分析方能有效地模拟多层非粘结柔性管在外载作用下的应力特征，从而实现柔性管抗拉性能的有效评价。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法，采用测量、实验和三维有限元计算方法，得到轴向拉伸载荷作用下多层非粘结柔性管的应力特征，在此基础上对其抗拉性能实现快速评价。具体步骤如下：
1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测量多层非粘结柔性管的结构参数；
2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；
3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维全尺寸几何模型；
4)利用有限元前处理软件对柔性管进行网格划分，建立柔性管三维有限元模型；包含内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；
5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；
6)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结柔性管进行计算分析，得到多层非粘结柔性管的von Mises应力分布云图；
7)分析多层非粘结柔性管各功能层von Mises应力峰值及分布状态，确定柔性管各功能层的抗拉安全系数，取各功能层安全系数最小值作为多层非粘结柔性管的抗拉安全系数，实现多层非粘结柔性管抗拉性能的快速评价。
上述的多层非粘结柔性管为任何一种目前使用的多层非粘结柔性管。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：
本发明提供一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价的新方法，采用三维有限元分析技术对柔性管的抗拉性能进行综合评估。相比实物实验评价方法，三维有限元评价方法具有更快速、更经济的特点，且能清楚地反映柔性管内部的受力特征。相比现有柔性管有限元分析方法，本发明所用方法能较好地体现柔性管层内、层间的摩擦接触行为，确定柔性管在真实载荷工况条件下的应力特征。
附图说明
图1是多层非粘结柔性管抗拉性能评价方法的流程图。
图2是多层非粘结柔性管三维几何模型示意图。
图3是多层非粘结柔性管三维有限元模型示意图。
图4是典型轴向拉伸载荷作用下柔性管von Mises应力分布云图。其中(a)抗拉铠装层内层，(b)抗拉铠装层外层，(c)整体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法，其根据测量、实验和三维有限元计算方法，确定柔性管在轴向拉力作用下的应力特征，进而评价多层非粘结柔性管的抗拉性能。
所述的测量、实验和三维有限元分析包括如下过程：
1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测量多层非粘结柔性管的结构参数；
2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；
3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维几何模型，如图1所示；
4)利用有限元前处理软件对多层非粘结柔性管进行网格划分，建立其三维有限元模型，如图2所示；
5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间的接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；
6)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结柔性管进行计算分析，得到多层非粘结柔性管的von Mises应力分布云图；
7)分析多层非粘结柔性管各功能层von Mises应力峰值及分布状态，为了保证柔性管使用安全，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：
式中，Si为第i功能层的安全系数，σi为第i功能层的von Mises应力峰值，σsi为第i功能层所用材料的屈服强度。取各功能层安全系数的最小值，可得多层非粘结柔性管的安全系数S＝min{Si}，实现多层非粘结柔性管抗拉性能的快速评价。
实施例：利用三维有限元分析技术确定多层非粘结柔性管的抗拉性能
利用本评价方法对某多层非粘结柔性管进行评价，该包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层。
利用CAD几何建模软件建立柔性管三维几何模型，如图2所示。利用有限元前处理软件对柔性管进行网格划分，建立其三维有限元模型，如图3所示。
根据材料试验，该柔性管各层所用材料的材料参数如表1所示。层内、层间的摩擦系数取0.1。
表1柔性管主要材料参数
在拉伸载荷作用下柔性管的von Mises应力分布云图如附图4所示。由图4可见，在300kN拉伸载荷作用下，von Mises应力较高的区域主要集中在抗拉铠装层，同时由于层间的相互挤压呈现出波节状的应力分布模式，应力峰值为418.5MPa，尚未超过材料强度极限，柔性管未发生破坏失效。
在300kN拉伸载荷作用下，各功能层von Mises应力峰值如表2所示。为了保证柔性管使用安全，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：
式中，Si为第i功能层的安全系数，σi为第i功能层的von Mises应力峰值，σsi为第i功能层所用材料的屈服强度。各功能层的安全系数如表2所示，取各功能层安全系数的最小值，可得多层非粘结柔性管的安全系数
S＝min{Si}
根据上述公式及表2数据，可得该多层非粘结柔性管在300kN拉伸载荷作用下安全系数为1.19，大于1，因此其抗拉性能稳定。
表2柔性管各功能层应力峰值及安全系数

Claims (4)

1.一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法，其特征在于，采用测量、实验和三维有限元计算方法，得到轴向拉伸载荷作用下多层非粘结柔性管的应力特征，在此基础上对其抗拉性能实现快速评价。具体步骤如下：
1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测定多层非粘结柔性管的结构参数；
2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；
3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维全尺寸几何模型；
4)利用有限元前处理软件对多层非粘结柔性管进行网格划分，建立多层非粘结柔性管三维有限元模型：包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；
5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；
6)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结柔性管进行计算分析，得到多层非粘结柔性管的von Mises应力分布云图；
7)分析多层非粘结柔性管各功能层von Mises应力峰值及分布状态，确定柔性管各功能层的抗拉安全系数，取各功能层安全系数最小值作为多层非粘结柔性管的抗拉安全系数，实现多层非粘结柔性管抗拉性能的快速评价。
2.根据权利要求1所述的一种多层非粘结柔性管抗拉性能快速评价方法，其特征在于，所述的多层非粘结柔性管为任何一种目前使用的非粘结柔性管。
3.根据权利要求1所述的多层非粘结柔性管的结构参数是指柔性管的内径、外径；各功能层的厚度，包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；抗压铠装层和抗拉铠装层钢带的宽度、螺旋倾角。
4.根据权利要求1所述的多层非粘结柔性管的材料参数是指各功能层的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、强度极限。
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