隔水管或者立管ansys.docx

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隔水管或者立管ansys

有限元分析大作业

2011年11月

钻井隔水导管结构静力分析

1.钻井隔水导管概述

图1隔水管受力示意图

海洋石油钻井隔水管导管是从海上钻井平台到海底浅层的套管，其主要功能是隔离海水，形成钻井液循环通道，同时作为海上井口的持力结构。

在钻完井施工过程中，隔水导管的强度及安全性对海上作业安全至关重要。

隔水导管一般是以桩基的形式打入或钻入到海底泥面以下的，因此在进行隔水导管强度校核和安全性分析时，看分为泥线以上和泥线以下两部分进行。

对于泥线以上部分而言，隔水导管不仅受到较大的轴向载荷的作用，还要受到横向周期性的风、浪、流载荷的作用，这些载荷对导水管强度及安全性都会产生比较大的影响，隔水管结构见图1。

在对隔水导管强度及安全性计算分析时，大多数是把隔水导管简化为一端固定一端铰支的梁结构[1][2]。

2.隔水导管力学分析模型

隔水导管所受得轴向载荷包括自重和坐挂在井口的压载，其中自重为均匀分布力，坐挂载井口压载为集中力。

隔水导管所受得横向载荷主要包括风、浪、流载荷以及上部井口侧向扶正力。

由于隔水导管入泥深度比较深，因此对于隔水导管下不入泥部分的简化，一般工程中取6倍管径处固支，上部由于受到钻井转盘的约束，因此将其简化为横向位移约束。

泥线以上管体受力情况如图4.1所示。

图中把各种载荷放在一个平面内，即假设隔水导管受力状况最为恶劣。

下面以某浅海油田为例，分析器钻井隔水导管的受力情况，其基本参数如下：

隔水导管尺寸：

外径533.4mm,壁厚25.4mm。

材料参数：

弹性模量2.1E11Pa；泊松比0.3；密度7850kg/m3。

环境参数：

水深30m;海面以上高度18m;风速38m/s,风载荷6675N;有效波高8m;有效波周期7.4s;海面流速1.93m/s;中部流速1.47m/s;底部流速0.96m/s。

井口压载：

30t。

本研究采用的单元类型为PIPE20。

PIPE20单元是一种与PIPE16相类似的单管单元，区别在于PIPE20单元具有塑性、蠕变、膨胀等特性，具有拉压、扭转和弯曲功能，单元的每个节点具备六个自由度，即沿X、Y、Z轴的位移及转动自由度。

3.前处理中环境载荷参数的设置

根据超找相关资料，设置波浪相位角的输入值为58[3][4]。

分析中采用的是Stokes五阶波理论。

并且设置波流耦合作用方式，具体的设置见图2。

图2环境载荷参数设置

建立的有限元单元如图3。

图3隔水导管有限元模型

本工程分析中采用的是静态求解，对隔水管的底部施加了全约束，上部约束了横向方向的自由度，载荷的施加里面定义风载荷的方法是将风载荷6675N,平均的分配到每一个单元节点上。

6675/17=392.647059（共17个节点）。

井口压力直接加到1处节点，最后加上重力加速度。

完成位移约束和所有载荷如图4。

此外本实例中考虑到在不同的区域的水、波、压载等的变化，因此环境载荷的输入是采用参数的形式。

图4完成位移约束和所有载荷

4进行求解分析

得到隔水管的总体变形图5。

图5结构主体变形图

节点位移等值线云图如图6

图6节点位移等值线图

从图上可以得出最大位移0.399469m,并且最大位移的位置处在水面以下5m左右的地方。

并且可以用以下的方法得到不同的节点的位移数值，见图6。

图7节点位移值显示

绘制单元应力及应变等值线云图8。

图8单元等效应力云图

从等效应力云图上看，最大的应力为0.170E+09Pa,最小应力815163Pa。

结构全部等效应变分布云图如下：

图9单元等效应变分布云图

结构弯矩图如图下：

图10单元等效应变分布云图

图11隔水管导向孔安装模型

从单元弯矩分布云图可以看出，结构最大弯矩出现在水面附近，弯矩达到了598349N.m根据上面的分析，在隔水导管使用过程中常常安装导向孔，隔水管导向孔安装位置示意图图11右所示，下一步将围绕深水隔水管与导向孔之间的相互作用进行模态分析，从而来确定隔水导管的具体的数目，为实际工程施工提供理论。

总结：

本章主要介绍了钻井隔水管的净力分析过程。

首先介绍了隔水管得功能及其受力特点；接着结合工程实际详细的分析了隔水导管的模型的建立、载荷的设置、求解的过程及后处理的基本操作，并提出了有关隔水导管安装的相关问题。

5.参考文献

[1]杨进，刘书杰，周建良.风浪作用下隔水导管强度及安全性计算.中国海上油气，2006（3）：

198-200.

[2]张建勇，浅海独桩平台有限元分析及合理结构性式研究.硕士论文，2005,35-36.

[3]杨进，刘书杰.ANSYS在海洋石油工程中的应用.

[4]廖彦波，杨进.双圆夹层钢管混泥土在钻井隔水管中的应用.钢结构，2008，（12）：

47-52

附录：

实例APDL建模及分析命令流

/FILNAME,Drillingriser_1,1

/TITLE,AnalysisofDrillingriser_1

Dwater=30!

水深

H_wave=8!

波高

T_wave=7.4!

海波周期

V_surface=1.93!

水面处海流速度

V_middle=1.47!

中部海流速度

V_buttom=0.96!

海部海流速度

!

******定义导管参数

OD=0.5334!

导管外径

TW=0.0254!

导管壁厚

!

******定义桩顶载及风载

F_top=-3e5!

井口压载

F_wind=6675!

风载荷

!

******前处理过程

/PREP7!

进入前处理

ET,1,PIPE20!

定义1号单元类型

ET,2,PIPE59!

定义2号单元类型

R,1,OD,TW!

设置1号实常数（针对PIPE20单元）

R,2,OD,TW,0.7,2.0,1030,0,!

设置2号实常数（针对PIPE59单元）

MP,EX,1,2.1E11!

设置弹性模量

MP,PRXY,1,0.3!

设置泊松比

MP,DENS,1,7850!

设置密度

TBDE,WATE,1!

设置波流参数waterTable

TB,WATE,1!

设置波流参数WaterTable

TB,WATE,1,,,0!

WaterTable

TBMODIF,1,1,2!

选择Stokes五阶波理论

TBMODIF,1,2,0!

波流耦合作用方式

TBMODIF,1,3,Dwater!

定义水深

TBMODIF,1,4,1030!

海水密度

TBMODIF,1.5,0!

波浪作用方向

TBMODIF,2,1,-Dwater!

定义水深

TBMODIF,2,2,V_buttom!

底部流速

TBMODIF,2,3,0!

底部海流作用方向

TBMODIF,2,4,-Dwater/2!

中部坐标

TBMODIF,2,5,V_surface!

中部流速

TBMODIF,2,6,0!

中部海流作用方向

TBMODIF,3,1,0!

水面坐标

TBMODIF,3,2,V_surface!

海面流速

TBMODIF,3,3,0!

表面海流作用方向

TBMODIF,14,1,H_wave!

波高

TBMODIF,14,2,T_wave!

波周期

TBMODIF,14,3,58!

波浪相位角

!

******建立几何模型

CSYS,0!

笛卡尔坐标系为当前坐标系

K,1,0,0,18!

定义1号关键点

K,2,0,0,0!

定义2号关键点

K,3,0,0,-30!

定义3号关键点

K,4,0,0,-33.2!

定义4号关键点

LSTR,1,2!

创建1号线

LSTR,2,3!

创建2号线

LSTR,3,4!

创建3号线

LSEL,S,LINE,,1,2,1,,!

选择1、2号线

LATT,1,2,2!

定义线单元属性

LESIZE,ALL,1,,,,,,!

将1、2号线按1m分段

LMESH,ALL!

划分1、2线建立PIPE50单元

ALLSEL!

选择所有对象

LSEL,S,LINE,,3!

选择3号线

LATT,1,1,1!

定义线单元属性

LESIZE,3,,,5!

将3号线划分为段

LMESH,ALL!

划分3号线建立PIPE20单元

ALLSEL!

选中所有对象

FINISH!

退出前处理器

!

******求解过程

/SOLU!

进入求解计算模块

ANTYPE,0!

设置分析类型为静力分析

NSEL,S,LOC,Z,-33.2!

选择坐标位移Z=-33.2处的节点

D,ALL,ALL!

约束其全部自由度

ALLSEL!

选中全部对象

NSEL,S,LOC,Z,18!

选择坐标位移Z=18处的节点

D,ALL,UX!

约束其X方向位移自由度

D,ALL,UY!

约束Y方向位移自由度

ALLSEL!

选中全部对象

NSEL,S,LOC,Z,1,17!

选择坐标位移Z=1-17之间的所有节点

F,ALL,FX,F_Wind/17!

施加风载荷（X正向）

ALLSEL!

选中所有对象

NSEL,S,lOC,Z,18!

选择顶部节点

F,ALL,FZ,F_Top!

施加井口压载

ALLSEL!

选择所有对象

ACEL,0,0,9.8!

施加惯性力（重力）加速度

SOLVE!

求解计算

SAVE!

保存计算结果

FINISH!

退出求解计算模块

!

******后处理过程

/POST1!

进入通用后处理器

SET,LAST!

读入计算结果文件

/ESHAPE,1.0!

打开模型线性选项

PLDISP,0!

绘制结构整体变形图

PLNSOL,U,SUM,0,1.0!

绘制结构位移等值图

PLNSOL,S,EQV,0,1.0!

绘制结构等效应力分布位图

PLNSOL,EPTO,EQV,0,1.0!

绘制结构等效应变分布云图

ETABLE,MOMENT_I,SMISC,5!

定义I端节点弯矩

ETABLE,MOMENT_J,SMISC,11!

定义J端节点弯矩

PLLS,MOMENT_I,MOMENT_J,1,0!

绘制弯矩图

finish