CN115982907B - 一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法及系统，考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线；获得海洋环境载荷、隔水管和防喷器传递的载荷联合作用下的导管或者表层套管的热点位置各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程；结合动力土反力曲线以及第一应力响应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管的热点位置各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；利用第二应力响应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测。本发明提高海底泥线以下导管和表层套管多载荷作用下疲劳寿命分析精度。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域深水钻井领域，具体涉及深水钻井导管或者套管的疲劳分析技术
背景技术
随着海洋深水钻完井作业的进展，深水钻井过程中，水下井口和导管及表层套管的疲劳问题变得更加突出。由于钻井平台、隔水管、水下防喷器、水下井口、导管和表层套管、海底浅部软土是一个整体，目前对于该整体系统的疲劳分析，主要集中在隔水管和水下井口上。一般通过建立隔水管-井口系统整体有限元模型，应用商业化有限元软件进行其疲劳分析，重点分析的是隔水管和泥线以上井口的疲劳损伤，对泥线以下的导管和表层套管的疲劳没有重点研究。而且由于目前一些深水作业实践中进行的隔水管和水下井口疲劳监测，并没有办法监测导管和表层套管接头等关键部位的疲劳损伤。但是，该系统中导管和表层套管的受力非常复杂，不仅受到泥线以上隔水管和防喷器传递过来的周期载荷，而且受到泥线以下周围软土的土力学作用。而且在循环载荷下，海底软土的强度是逐渐降低的，从而导致导管横向位移增加，导管上在土层中的最大弯矩点下移，造成导管和表层套管的疲劳可能性增大。降低强度的软土反映在井口和导管的疲劳评价中起到很大的主导作用。循环衰退的土反力影响导管和表层套管疲劳的情况在现有的水下井口疲劳分析模型中不能体现，导致疲劳寿命分析的精度降低。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法，以解决现有技术未能体现循环衰退的土反力影响导管和表层套管疲劳的情况导致疲劳分析的精度降低的问题；目的之二在于提供一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法，
考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线；
获得海洋环境载荷、隔水管和防喷器传递的载荷联合作用下的导管或者表层套管的热点位置各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程；
结合动力土反力曲线以及第一应力响应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管的热点位置各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；
利用第二应力响应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测。
根据上述技术手段，在通过第一应力响应时间历程和动力土反力曲线得到了第二应力相应时间历程，并利用第二应力相应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测，考虑了土反力耦合作用、海洋环境(海流力、波浪载荷)以及隔水管、水下防喷器载荷对表层套管或者导管疲劳寿命的影响，将土反力对表层套管或者导管的应力作用结合，利用结合后的数据对表层套管或者导管进行疲劳寿命分析，相比于现有技术，提高了预测的精度。
进一步，所述动力土反力曲线的获得方式为：所述动力土反力曲线的获得方式为：针对泥线以下的导管或者表层套管，根据按导管或者表层套管的深度方向的每个位置的循环折减系数对p-y曲线进行修正，获得所述动力土反力曲线，所述循环折减系数表示由于循环载荷的作用而造成的导管周围土反力的降低程度。
进一步，所述循环折减系数的获取方式为：
根据相似性原理制备深水钻井导管和表层套管实验模型，所述实验模型包括管柱，所述管柱的部分插入装有泥土箱体中，所述管柱的顶部设置循环作动器，所述管柱用于模拟导管和表层套管，泥土用于模拟所述导管或者套管所安装位置的海底软土，所述循环作动器输出的循环作用力用于模拟平台运动、波浪力和海流力引起的施加在水下井口位置的循环载荷；
所述循环作动器在所述管柱上施加给定次数、给定幅值、频率和周期的横向作用力的循环载荷，并获得所述管柱沿深度变化的横向偏移测量计算值y；
根据实验数据拟合公式获得第n次加载后随管柱深度x变化的yn；
yn＝±[y0+(A×Ft)×ln(n)×Dc]×x/x0
式中：
Ft：加载力：
n：循环次数，n∈[1，N],N表示循环加载的总次数；
y0：静态加载作用下的管柱顶部的横向偏移测量值；
Dc：管柱的管径；
A：拟合系数；
x0：管柱顶部位置；
x：沿管柱深度变化的位置；
对泥线以下xn位置处的土反力曲线循环折减系数Cn(xn)进行试取值，然后根据API标准p-y曲线计算确定y′n，若|yn-y'n|＜ε，则可确定该位置xn第n次循环后的循环折减系数Cn(xn)；
逐次增加循环加载次数，通过上述计算过程，则可以获得该位置xn从1～N次后的循环折减系数C1(xn)～CN(xn)。
根据上述技术手段，基于相似性的原理，并应用实验的方式获得循环折减系数，结果更加准确，进而有利于进一步提高疲劳寿命预测的精度。
进一步，所述第二应力响应时间历程的获取方式为：
根据所述动力土反力曲线，获得导管或者表层套管的热点位置在耦合土反力作用下的管柱动力学分析模型；
将第一应力响应时间历程作为初始值，结合井口和管柱之间的连续性条件，根据耦合土反力的所述管柱动力学分析模型，结合所述折减系数，迭代求解获得沿管柱深度变化的应力响应时间历程，得到第二应力响应时间历程。
进一步，所述第一应力响应时间历程的获取方法为：
根据波浪谱模型生成时域随机波高，获得隔水管底部的动态载荷时程；
建立包括水下防喷器、井口、导管和表层套管的有限元模型，在有限元模型上施加所述隔水管底部传递到井口的动态载荷时程，然后进行有限元分析，获得所述导管和表层套管的第一应力响应时间历程。
进一步，所述疲劳寿命预测的方法为：
根据第二应力响应时间历程，在有限元模型中，计算临界面上的法向正应变、剪应变、正应力、切应力；
对空间内热点位置的所有平面进行搜索确定唯一θ角、角，θ角表示临界面的法向与笛卡尔坐标系下的x轴的夹角，/>角表示临界面的法向与笛卡尔坐标系下的z轴的夹角；
针对导管或者表层套管整体结构以及焊缝处进行多轴疲劳损伤分析，从而获得导管或者表层套管的疲劳寿命。
进一步，所述针对导管或者表层套管整体结构进行多轴疲劳损伤分析的方法为：
结合导管或者套管的有限元模型和所述第二应力响应时间历程，通过有限元分析的形式确定导管或者表层套管整体所受载荷形式下的热点位置，然后再使用热点位置处的应力应变状态作为的疲劳评估基础参量；
利用临界面法针对导管或者表层套管整体结构进行多轴疲劳损伤分析。
进一步，所述焊缝处进行多轴疲劳损伤分析进行多轴疲劳损伤分析的方法为：
结合所述第二应力响应时间历程以及有限元模型，通过有限元分析的形式确定导管或者表层套管焊缝所受载荷形式下的零点位置，然后再使用零点位置处的应力值作为的疲劳评估参量；
使用多轴疲劳评估的MWCM法对得到的应力应变状态进行计算，结合累计损伤准则得到导管或者表层套管焊缝处的疲劳损伤。
一种基于上述的方法的海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析系统，
动力土反力曲线获取模块，配置为考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线；
第一应力响应时间历程获取模块，配置为获得海洋环境载荷、隔水管和防喷器传递的载荷联合作用下的导管或者表层套管的热点位置各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程；
第二应力响应时间历程获取模块，配置为结合动力土反力曲线以及第一应力响应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管的热点位置各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；
疲劳寿命预测模块，配置为利用第二应力响应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测。
进一步，所述动力土反力曲线获取模块包括实验模型，所述实验模型根据相似性原理制备的深水钻井的导管和表层套管，所述实验模型包括管柱，所述管柱的部分插入带有泥土箱体中，所述管柱的顶部设置循环作动器，所述管柱用于模拟导管和表层套管，泥土用于模拟海底软土，所述循环作动器输出的循环作用力用于模拟波浪力和海流力引起的施加在水下井口位置的循环载荷。
进一步，获得循环折减系数的方法为：所述循环作动器在所述管柱上施加给定次数、给定幅值、频率和周期的横向作用力的循环载荷，并获得所述管柱沿深度变化的横向偏移测量计算值y；
根据实验数据拟合公式获得第n次加载后随管柱深度x变化的yn；
yn＝±[y0+(A×Ft)×ln(n)×Dc]×x/x0
式中：
Ft：加载力：
n：循环次数，n∈[1，N],N表示循环加载的总次数；
y0：静态加载作用下的管柱顶部的横向偏移测量值；
Dc：管柱的管径；
A：拟合系数；
x0：管柱顶部位置；
x：沿管柱深度变化的位置；
对泥线以下xn位置处的土反力曲线循环折减系数Cn(xn)进行试取值，然后根据API标准p-y曲线计算确定y′n，若|yn-y'n|＜ε，则可确定该位置xn第n次循环后的循环折减系数Cn(xn)；逐次增加循环加载次数，通过上述计算过程，则可以获得该位置xn从1～N次后的循环折减系数C1(xn)～CN(xn)。
进一步，所述第二应力响应时间历程获取模块获取第二应力响应时间历程的方法为：
根据所述动力土反力曲线，获得导管或者表层套管的热点位置在耦合土反力作用下的管柱动力学分析模型；
将第一应力响应时间历程作为初始值，结合井口和管柱之间的连续性条件，根据耦合土反力的所述管柱动力学分析模型，结合所述折减系数，迭代求解获得沿管柱深度变化的应力响应时间历程，得到第二应力响应时间历程。
本发明的有益效果：
本发明重点考虑了海底浅部软土动力土反力循环衰减效应，并基于最大正应力准则进行导管和表层套管的多轴疲劳分析，进而预测导管和表层套管在复杂应力场作用及内部结构复杂性影响下的疲劳寿命，准确的疲劳寿命预测能够为导管和表层套管的完整性、稳定性和可靠性分析提供支撑，提高海底泥线以下导管和表层套管多载荷作用下疲劳寿命分析精度。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的方法的流程图；
图2为本发明实施例1提出的动力土反力曲线示意图；
图3为本发明实施例1提出的任意斜截面应力状态示意图；
图4为本发明实施例2提出的系统的结构图。
其中，1-动力土反力曲线获取模块；2-第一应力响应时间历程获取模块；3-第二应力响应时间历程获取模块；4-疲劳寿命预测模块。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明技术方案的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
本实施例提出了一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法，如图1方法具体为：
S1：考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线，本实施例中的动力土反力曲线如图2所示。
在该步骤中，为了获取循环折减系数，本实施例中采用实验法，具体的：(1)根据相似性原理制备满足实验装置要求的深水钻井导管和表层套管模型，实验模型包括管柱，管柱的部分插入带有泥土箱体中，管柱的顶部设置循环作动器，管柱用于模拟导管和表层套管，泥土用于模拟海底软土，循环作动器输出的循环作用力用于模拟波浪力和海流力引起的施加在水下井口位置的循环载荷；
该管柱模型的原型为导管和表层套管以及两者之间的水泥环组成，通过尺寸和抗弯刚度等量纲相似，可选定无缝钢管作为管柱，外径为21.9mm，壁厚为3mm、长度为2m。埋入实验箱土中深度为1835mm，露出泥面长度为165mm。管柱顶端模拟导管和表层套管加载位置55mm，横向几何相似比为32.1。
(2)沿模型管柱轴向方向的不同位置粘贴成对应变片，放置于装有模拟海底土体的实验箱体中，模型箱体中同时埋置土压力计，应变片设计位置上密下疏(上部间隔7-10cm，下部间隔13-20cm)。
在实验过程中，采用闭环控制的循环作动器，分别模拟深水钻井工况下作用到导管和表层套管顶部的循环载荷，进行导管模型和周围土体的相互作用实验。
(3)通过动态应变仪测量不同加载情况下模型管柱的应变及管土界面接触压力等实验数据。通过计算程序，获得一定时程下沿模型管柱长度变化的应力。根据海底浅部土层软土条件，更换不同类型的饱和粘土或砂土重复进行以上步骤的实验，获得不同土层性质的考虑循环衰退效应的动力土反力曲线。
(4)其中，考虑循环衰退效应的动力土反力曲线获得具体步骤如下：
由于土反力的非线性和循环衰退性，可根据实验测量的管柱横向位移变化规律按照如下步骤确定土反力曲线的循环折减系数：
以砂土为例，填装用水饱和的土样深度为1900mm，水下重度8.5kN/m3，内摩擦角38°，在模型管柱顶部施加一定幅值和频率的循环载荷，用以模拟传递到导管和表层套管管柱顶部的作用力，具体试验过程如下：
1)按照要求粘贴应变片，装填砂土，并用水饱和7天；连接应变仪、循环作动器等设备，准备试验。
2)选定动态横向力作用周期(5s)和循环次数(90次)，改变动态横向力幅值(20N、100N、200N)，观察管柱与砂土分离情况，测量并记录沿管柱深度各点的应变随时间的变化情况。
3)选定动态横向力幅值(100N)和循环次数(60次)，改变其作用周期(1s、5s、10S)，观察管柱与砂土分离情况，测量并记录沿管柱深度各点的应变随时间的变化情况。
4)选定动态横向力幅值(100N)和作用周期(1s)，改变循环次数(0-600次)，观察管柱与砂土分离情况，测量并记录沿管柱深度各点的应变随时间的变化情况。
5)选定动态横向力幅值(100N)、作用周期(1s)和循环次数(200次)，加竖向载荷(0N、51N、152N)，观察管柱与砂土分离情况，测量并记录沿管柱深度各点的应变随时间的变化情况。
6)每个参数实验完成后静置一段时间后再进行下一个参数实验，尽量恢复被扰动的土体。
7)获得循环衰退效应影响下的动力土反力曲线：由于土反力为非线性，通过折减的方式确定循环加载过程中的土反力，采用迭代法进行循环次数影响下的循环折减系数确定。
①首先，根据实验数据拟合公式获得第n次加载后随管柱深度x变化的yn；
yn＝±[y0+(A×Ft)×ln(n)×Dc]×x/x0(1)
式中：
Ft：加载力：
n：循环次数，n∈[1，N],N表示循环加载的总次数；
y0：静态加载作用下的管柱顶部的横向偏移测量值；
Dc：管柱的管径；
A：拟合系数；
x0：管柱顶部位置；
x：沿管柱深度变化的位置。
②由于土反力的非线性和循环衰退性，可根据实验测量的管柱横向位移变化规律按照如下步骤确定土反力曲线的循环折减系数：
③对泥线以下xn位置处的土反力曲线循环折减系数Cn(xn)进行试取值，然后根据API标准p-y曲线计算确定y′n，如|yn-y'n|＜ε，则可确定该位置xn第n次循环后的循环折减系数Cn(xn)；
④逐次增加循环加载次数，通过上述计算过程，则可以获得该位置xn从1～N次后的循环折减系数C1(xn)～CN(xn)；
进而可以获得对API标准p-y曲线进行修正的考虑循环衰退效应的动力土反力曲线，修正的方法具体为：首先计算每一个深度位置的极限土反力标准值，然后对该标准值乘以每一个循环次数下的折减系数，进而获每一个循环次数在不同横向位移下对应的土反力，从而获得所述动力土反力曲线。
S2：获得隔水管和防喷器传递的载荷以及海洋环境载荷的耦合作用下的导管或者表层套管的热点位置各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程，第一应力响应时间历程主要考虑泥线以上的导管和表层套管作用；根据动力土反力曲线以及第一应力相应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管的热点位置各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；
第一应力响应时间历程的获取方式如下：
①根据波浪谱模型生成时域随机波高，结合势流理论、波浪海流风力等载荷计算获得解耦状态下作用在隔水管底部或者水下井口处的动态载荷时程；
②考虑水下防喷器、井口、导管及表层套管的特征及关键结构部位受力特点(如防喷器及井口连接头、高低压井口锁定结构、焊缝等)，利用有限元方法建立该系统的有限元模型，有限元模型包括水下防喷器、井口、导管及表层套管。
③对所建立的有限元模型进行网格划分，在水下防喷器顶部施加第①步计算获得的动态载荷时程数据，然后进行有限元分析，获得导管和表层套管在隔水管和防喷器传递的载荷作用下的应力应变特征，从而根据本应力应变特征获得第一应力响应时间历程。
第二应力响应时间历程的获取方式如下：
第一应力响应时间历程主要考虑泥线以上的导管和表层套管作用，第二应力响应时间历程为考虑了导管和表层套管周围土反力的作用。先用第一应力响应时间历程作为初始值，结合井口和管柱之间的连续性条件，根据耦合土反力的管柱动力学分析模型，求解获得沿管柱变化的第二应力响应时间历程。
具体的：根据获得的所述考虑循环衰退效应的动力土反力曲线，获得导管或者表层套管的热点位置在土反力耦合作用下的动力学分析模型；
对管柱微元作动力平衡分析，则任意时刻t，泥线以下套管柱的控制微分方程为：
式中:mc——套管柱单位质量；
k——土的动力刚度系数；
c——阻尼系数；
t——时间；
Ec——弹性模量；
Ic——惯性矩；
N——管柱顶部轴向力；
x——管柱沿深度变化距离；
y——管柱横向位移。
土的动力刚度系数根据p-y曲线确定：
式中p(x)——沿管柱深部变化的土反力。
由于动力刚度系数为非线性的，所以阻尼系数也是非线性的。
进行所述动力学分析模型的迭代求解时，考虑土反力的循环折减系数影响(结合折减系数)，获得热点位置在各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程。
第二应力响应时间历程，实际上是结合了土反力、海洋环境(海流力、波浪载荷、风力等)以及水下防喷器、隔水管的载荷，然后结合现有技术的疲劳分析方法，可进行疲劳寿命分析。
在工程实际中，导管和表层套管承受多轴循环载荷作用，即使在单轴外载荷的作用下，由于导管接头和焊缝部位几何形状比较复杂，其局部仍为多轴应力状态。相比于单轴应力状态，多轴应力状态下的材料循环应力/应变特性及裂纹取向、形状、扩展方向、速率等参数均将受到更多因素的影响，从而造成多轴加载疲劳寿命较单轴加载大大降低。在近几十年，主要建立了三大类多轴疲劳寿命预测模型：等效应变法、能量法、临界面法。临界面的概念是建立在疲劳裂纹萌生和扩展机理上的，其准则不仅考虑了应力、应变的大小，而且还考虑应力、应变所在平面及其方向，被普遍认为是分析多轴疲劳的一种比较有效的方法。但是，在海洋深水工程领域，对导管和表层套管接头和焊接结构的多轴疲劳寿命研究较少，目前主要采用单轴疲劳寿命预测理论进行保守的疲劳寿命预测，导致疲劳寿命预测结果分散性较大。
因此，本实施例中基于上述步骤所获得的第二应力响应时间历程，基于临界面法、MWCM法对表层套管、导管及焊缝处进行疲劳寿命预测。具体的：
M1：建立表层套管和导管的有限元模型，并将组合的结果施加到有限元模型中，提取热点应力状态根据各节点的应力、应变数据，结合弹性力学方法、Smith-Watson-Topper(SWT)疲劳损伤参量，将最大正应力所在的平面视为临界面，计算该平面上的法向正应变、剪应变、正应力、切应力。
在该步骤中具体包括以下步骤：
M11、结合深水钻井实际工况选定疲劳损伤参量；
M12、依次改变1～5°方向角评估参量遍历最大疲劳损伤参量下的θ角(临界面的法向与笛卡尔坐标系下x轴的夹角)、角(临界面的法向与笛卡尔坐标系下的z轴的夹角)；此处的角度在任意斜截面应力状态中的示意见图3。
M13、计算每个平面下的正应力，确定最大正应力所在平面为临界面。
步骤M12和M13具体包括以下步骤：对有限元分析获取导管和表层套管仿真模型的应力、应变，结合弹性力学，旋转应力、应变坐标到任意平面，求得任意面上的应力与应变，转换公式通常如(4)、(5)、(6)所示，在[0°，180°)范围内选定搜索步长在微元体中遍历θ角和角。
ε'＝(M)Tε(M)(4)
σ'＝(M)Tσ(M)(5)
式中，ε、σ为原坐标系下应变、应力张量；
ε′、σ′为旋转后新坐标系下应变、应力张量。
其中旋转矩阵M为：
找出这一时刻最大正应力所在的平面，将该平面作为临界面；
进一步地：步骤M11中的疲劳损伤参量为SWT模型
M2：在各临界平面上结合材料疲劳特性和雨流计数等应力幅循环统计方法计算各应力幅水平的损伤。
在实际操作中，着重针对循环衰退动力土反力作用于热点区域的应力集中较大的区域，并将该区域定义为热点位置。
M3：在导管和表层套管焊缝结构处利用零点结构应力法联合MWCM法(ModifiedCurve Method)进行多轴疲劳损伤分析。本实施例中的热点位置也包括导管和表层套管的焊缝处。
M31、根据DNVGL_RP_CL203确定焊缝的几何形式，建立含有焊缝的导管和表层套管有限元模型，零点结构应力法需使用块体单元建模，并对焊趾区域网格精细化划分(板厚方向上的单元大小为0.05t×0.05t(t为板厚)时，能够较好地反映厚度方向上的应力分布)。
M32、确定导管和表层套管所受载荷形式下的零点位置，然后再使用零点处的应力值作为后续的疲劳评估参量。
M33、对空间内过该点的所有平面进行搜索确定唯一θ角、角，MWCM法以剪应力最大的平面为疲劳临界面。
M34、使用Susmel提出的多轴疲劳评估MWCM法对得到的应力值进行计算，结合累计损伤准则得到导管和表层套管焊缝处的疲劳损伤。
本实施例中，对导管或者表层套管整体进行多轴疲劳分析的方法为：
1.结合导管或者套管的有限元模型和所述第二应力响应时间历程，通过有限元分析的形式确定导管或者表层套管整体所受载荷形式下的热点位置，然后再使用热点位置处的应力应变状态作为的疲劳评估基础参量；
2.利用临界面法针对导管或者表层套管整体结构进行多轴疲劳损伤分析。
进一步地，结合SWT模型，等效应变模型和寿命预测模型定义为:
式中：Δεmax为最大主应变幅；
σn,max为最大主应变幅平面上的最大正应力；
C为等效应变；
b为疲劳强度指数；
c为疲劳延性指数；
Nf为疲劳寿命；
E为材料的杨氏模量；
σ'f为疲劳强度系数；
ε'f为疲劳延性系数。
3.利用MWCM法针对导管或者表层套管焊缝结构进行多轴疲劳损伤分析。
进一步地，焊缝处多轴疲劳寿命计算公式定义为：
其中通过ρw修正单轴S-N曲线来评估多轴疲劳寿命，其计算公式为：
式中：Vσn为临界面上的正应力幅；
Vτ为临界面上的剪应力幅。
MWCM法认为结构的疲劳寿命是由剪应力造成的疲劳损伤与正应力造成的疲劳损伤的线性组合，通过对纯剪切S-N曲线和纯拉伸S-N曲线进行拟合，获得一条适用于多轴疲劳分析的S-N曲线，拟合公式如下：
上式中VρA和VτA分别是疲劳失效寿命为NA时拉伸S-N曲线和扭转S-N曲线对应的正应力范围和剪切应力范围。
根据式(10)～(11)计算出多轴疲劳S-N曲线的负的反向斜率kt(ρw)和疲劳失效寿命为NA时所对应的剪切应力范围VτA,Ref(ρw)，通过这两个参数唯一确定多轴疲劳Vτ-N曲线。
实施例2
本实施例提出了一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析系统，如图4所示，基于实施例1提出的方法，包括：
动力土反力曲线获取模块1，配置为配置为考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线。
第一应力响应时间历程获取模块2，配置为获得海洋环境载荷、隔水管和防喷器传递的载荷联合作用下的导管或者表层套管的热点位置各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程。
第二应力响应时间历程获取模块3，配置为结合动力土反力曲线以及第一应力响应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管的热点位置各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；
疲劳寿命预测模块4，配置为利用第二应力响应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测。其中动力土反力曲线获取模块1配置有实验模型和计算机，实验模型将实验数据传递至计算机中，计算机根据公式(1)，通过迭代的方式获得每次循环的循环折减系数，进而获得动力土反力曲线。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法，其特征在于：
考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线；
获得海洋环境载荷、隔水管和防喷器传递的载荷联合作用下，导管或者表层套管在各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程；
结合动力土反力曲线以及第一应力响应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管在各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；
利用第二应力响应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测；
所述动力土反力曲线的获得方式为：针对泥线以下的导管或者表层套管，根据按导管或者表层套管的深度方向的每个位置的循环折减系数对p-y曲线进行修正，获得所述动力土反力曲线，所述循环折减系数表示由于循环载荷的作用而造成的导管周围土反力的降低程度；
所述第二应力响应时间历程的获取方式为：
根据所述动力土反力曲线，获得导管或者表层套管在耦合土反力作用下的管柱动力学分析模型；
将第一应力响应时间历程作为初始值，结合井口和管柱之间的连续性条件，根据耦合土反力的所述管柱动力学分析模型，结合所述循环折减系数，迭代求解所述管柱动力学分析模型，获得沿管柱深度变化的各位置的应力响应时间历程，得到第二应力响应时间历程；
所述第一应力响应时间历程的获取方法为：
根据波浪谱模型生成时域随机波高，获得隔水管底部的动态载荷时程；
建立包括水下防喷器、井口、导管和表层套管的有限元模型，在有限元模型上施加所述隔水管底部传递到井口的动态载荷时程，然后进行有限元分析，获得所述导管和表层套管的第一应力响应时间历程；
所述疲劳寿命预测的方法为：
根据第二应力响应时间历程，在有限元模型中，计算临界面上的法向正应变、剪应变、正应力、切应力；
针对导管或者表层套管整体结构以及焊缝处进行多轴疲劳损伤分析，从而获得导管或者表层套管的疲劳寿命；
所述循环折减系数的获取方式为：
根据相似性原理制备深水钻井导管和表层套管实验模型，所述实验模型包括管柱，所述管柱的部分插入装有泥土箱体中，所述管柱的顶部设置循环作动器，所述管柱用于模拟导管和表层套管，泥土用于模拟所述导管或者套管所安装位置的海底软土，所述循环作动器输出的循环作用力用于模拟平台运动、波浪力和海流力引起的施加在水下井口位置的循环载荷；
所述循环作动器在所述管柱上施加给定次数、给定幅值、频率和周期的横向作用力的循环载荷，并获得所述管柱沿深度变化的横向偏移测量计算值y；
根据实验数据拟合公式获得第n次加载后随管柱深度xi变化的
式中：
Ft：加载力：
n：循环次数，n∈[1,N],N表示循环加载的总次数；
静态加载作用下的管柱顶部的横向偏移测量值；
Dc：管柱的管径；
A：拟合系数；
x0：管柱顶部位置；
xi：沿管柱深度变化的位置；
对泥线以下xi位置处的土反力曲线循环折减系数Cn(xi)进行试取值，然后根据API标准p-y曲线计算确定若/>确定该位置xi第n次循环后的循环折减系数Cn(xi)；
逐次增加循环加载次数，通过上述计算过程，获得该位置xi从1～N次后的循环折减系数C1(xi)～CN(xi)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述针对导管或者表层套管整体结构进行多轴疲劳损伤分析的方法为：
结合导管或者套管的有限元模型和所述第二应力响应时间历程，通过有限元分析的形式确定导管或者表层套管整体所受载荷形式下的热点位置，然后再使用热点位置处的应力应变状态作为的疲劳评估基础参量；
对空间内热点位置微元体的所有平面进行搜索确定唯一θ角、角，θ角表示临界面的法向与笛卡尔坐标系下的x轴的夹角，/>角表示临界面的法向与笛卡尔坐标系下的z轴的夹角；
利用临界面法针对导管或者表层套管整体结构进行多轴疲劳损伤分析。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊缝处进行多轴疲劳损伤分析进行多轴疲劳损伤分析的方法为：
结合所述第二应力响应时间历程以及有限元模型，通过有限元分析的形式确定导管或者表层套管焊缝所受载荷形式下的零点位置，然后再使用零点位置处的应力值作为的疲劳评估参量；
使用多轴疲劳评估的MWCM法对得到的应力应变状态进行计算，结合累计损伤准则得到导管或者表层套管焊缝处的疲劳损伤。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的方法的海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析系统，其特征在于：包括：
动力土反力曲线获取模块，配置为考虑循环衰退效应，获得导管或者套管所安装位置的泥土的动力土反力曲线；
第一应力响应时间历程获取模块，配置为获得海洋环境载荷、隔水管和防喷器传递的载荷联合作用下的导管或者表层套管的热点位置各方向的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第一应力响应时间历程；
第二应力响应时间历程获取模块，配置为结合动力土反力曲线以及第一应力响应时间历程，获得在土反力的耦合下的导管或者表层套管的热点位置各方向上的动力载荷下的应力响应时间历程，形成第二应力响应时间历程；
疲劳寿命预测模块，配置为利用第二应力响应时间历程进行表层套管或者导管的疲劳寿命预测；
所述动力土反力曲线的获得方式为：针对泥线以下的导管或者表层套管，根据按导管或者表层套管的深度方向的每个位置的循环折减系数对p-y曲线进行修正，获得所述动力土反力曲线，所述循环折减系数表示由于循环载荷的作用而造成的导管周围土反力的降低程度；
所述第二应力响应时间历程的获取方式为：
根据所述动力土反力曲线，获得导管或者表层套管在耦合土反力作用下的管柱动力学分析模型；
将第一应力响应时间历程作为初始值，结合井口和管柱之间的连续性条件，根据耦合土反力的所述管柱动力学分析模型，结合所述循环折减系数，迭代求解所述管柱动力学分析模型，获得沿管柱深度变化的各位置的应力响应时间历程，得到第二应力响应时间历程；
所述第一应力响应时间历程的获取方法为：
根据波浪谱模型生成时域随机波高，获得隔水管底部的动态载荷时程；
建立包括水下防喷器、井口、导管和表层套管的有限元模型，在有限元模型上施加所述隔水管底部传递到井口的动态载荷时程，然后进行有限元分析，获得所述导管和表层套管的第一应力响应时间历程；
所述疲劳寿命预测的方法为：
根据第二应力响应时间历程，在有限元模型中，计算临界面上的法向正应变、剪应变、正应力、切应力；
针对导管或者表层套管整体结构以及焊缝处进行多轴疲劳损伤分析，从而获得导管或者表层套管的疲劳寿命；
获得循环折减系数的方法为：所述循环作动器在所述管柱上施加给定次数、给定幅值、频率和周期的横向作用力的循环载荷，并获得所述管柱沿深度变化的横向偏移测量计算值y；
根据实验数据拟合公式获得第n次加载后随管柱深度xi变化的
式中：
Ft：加载力：
n：循环次数，n∈[1,N],N表示循环加载的总次数；
静态加载作用下的管柱顶部的横向偏移测量值；
Dc：管柱的管径；
A：拟合系数；
x0：管柱顶部位置；
xi：沿管柱深度变化的位置；
对泥线以下xi位置处的土反力曲线循环折减系数Cn(xi)进行试取值，然后根据API标准p-y曲线计算确定若/>则能够确定该位置xi第n次循环后的循环折减系数Cn(xi)；
逐次增加循环加载次数，通过上述计算过程，则能够获得该位置xi从1～N次后的循环折减系数C1(xi)～CN(xi)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述动力土反力曲线获取模块包括实验模型，所述实验模型根据相似性原理制备的深水钻井的导管和表层套管，所述实验模型包括管柱，所述管柱的部分插入带有泥土箱体中，所述管柱的顶部设置循环作动器，所述管柱用于模拟导管和表层套管，泥土用于模拟海底软土，所述循环作动器输出的循环作用力用于模拟波浪力和海流力引起的施加在水下井口位置的循环载荷。
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