程鋒瑞 方懌民

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

R550D自升式鉆井平臺是在黃埔船廠建造，采用TSC鉆井包的高規(guī)格鉆井平臺，如圖1所示。此平臺型長260英尺（1英尺=0.304 8m），型寬261英尺，型深27英尺，樁腿總長588.45英尺，前后樁腿中心距129英尺，后樁腿中心距142英尺，懸臂梁位移80英尺，居住人數(shù)150人。工作水深可達120 m，鉆井深度可達尺樁腿總 m。與傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺相比，該平臺具有作業(yè)能力強、甲板可變載荷大、環(huán)境適應性好、性價比高等特點。

圖1 R550D自升式鉆井平臺

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

高壓泥漿泵是高壓泥漿系統(tǒng)的心臟，是泥漿設備中最為關鍵的設備。為克服高壓泥漿在系統(tǒng)中的阻力、滿足井下鉆頭水功率的要求、為井下動力鉆具提供動力，R550D鉆井平臺采用TSC集團的2200 HP的高壓泥漿泵，出口壓力可達到7500 PSI（約等于51.7 MPa）。為了滿足管路設計壓力，必須選擇合適的管路、閥門和附件等材料。隨著鉆井深度的不斷增加和高壓噴射鉆井技術的不斷推廣，高壓泥漿系統(tǒng)成為一個高性能、高應力系統(tǒng)，因此對其進行詳細的管道應力分析以便得到合理的管道布置和優(yōu)化的支吊架結構是必要的。以R550D，400英尺水深作業(yè)的自升式鉆井平臺中的高壓泥漿系統(tǒng)為例，對懸臂梁部分高壓泥漿管進行應力分析。

1.2 管道應力分析的方法

在實際工程項目設計中，并非所有的管道都需要進行應力計算，也并非所有計算都必須通過計算軟件進行。一般管道應力分析有以下兩種：簡單計算法和軟件分析法。

簡單計算法是適用于具有同一直徑、同一壁厚、無支管、兩端固定、無中間約束的非劇毒介質管道，用式（1）進行判斷：

一次應力是由于壓力、重力和外部載荷的作用所產生的應力。它是平衡外部載荷所需要的應力，隨外部載荷的增加而增加。一次應力的特點是沒有自限性，即當管道內的塑性區(qū)擴展達到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的機構時，即使外部載荷不再增加，管道仍將產生不可限制的塑性流動，直至破壞。管道工藝標準ASME B31.3沒有提供對一次應力校準的公式，但是其要求計算由于重力和壓力引起的軸

式中：D0——管道外徑，mm；

Y——管道吸收總位移，mm；

L——管段兩固定點之間的展開長度，m；

U——兩端（固定）定點之間的直線距離，m

鑒于上述簡化計算公式存在局限性，因此它不適用于下列管道：

1）在劇烈循環(huán)條件下運行，有疲勞危險的管道；

2）大直徑薄壁管道（管件應力增強系數(shù)j≥5）；

3）與端點連線不在同一方向的端點附加位移量占總位移量大部分的管道；

4）L/U＞2.5的不等腿U型彎管，或近似直線的鋸齒管。

當簡便計算法無法判斷管道柔性，或規(guī)范要求必須進行詳細應力分析時，可采用分析軟件來進行詳細應力分析。目前使用較多的管道應力分析軟件有：CAESARII、ADLPIPE和AUTOFLEX。 其中CAESARII軟件使用較為普遍。

對于簡單的管道系統(tǒng)按管道布置規(guī)則和工藝設計即可滿足設計要求，但對于高壓泥漿之類的復雜管道系統(tǒng)則需要借助于有限元法進行應力分析，根據(jù)計算結果調整才能達到設計要求。

采用美國COADE公司研發(fā)的管道應力分析軟件CAESARII［1］為分析工具。該軟件是以材料力學、結構力學、彈塑性力學、有限元、管道應力分析與計算為基礎，進行管道系統(tǒng)的設計和分析。該管路系統(tǒng)按照美國工藝管道標準ASME B31.3計算。

2 管道應力分析理論

管道應力分析可以分為靜力分析和動力分析兩部分。靜力分析是指在靜力載荷作用下對管道進行力學分析，并予以相應的安全評定，使之滿足標準規(guī)范的要求。動力分析則主要指往復壓縮機和往復泵管道的振動分析、地震分析以及水錘和沖擊載荷作用下管道的振動分析，其目的是使地震和振動的影響得到有效控制，本文只對管路做靜力分析。管道靜應力根據(jù)性質可以分為一次應力和二次應力［2］。

2.1 一次應力

向應力，并且要求軸向應力不超過Sh—材料在設計溫度下的許用應力，見式（2）［2-3］：

式中：SL——一次應力；

F——持續(xù)載荷產生的軸向力；

A——管道橫截面積；

P——設計壓力；

d0——平均直徑；

t——壁厚；

ii、i0——平面內、外應力增強系數(shù)；

Mi、M0——持續(xù)載荷產生的平面內、外的彎矩；

Z——抗彎截面模量

2.2 二次應力

二次應力是由于熱漲、冷縮引起端點附加位移載荷的作用下產生的應力。它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必需的應力。二次應力具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。一般來講，只要不反復加載，二次應力不會導致管道破壞，也就是說二次應力引起的主要是疲勞破壞。管道工藝標準ASMEB31.3中規(guī)定的位移應力即二次應力，見式（3）：

式中：SE——位移應力范圍；

Mi、M0——熱漲載荷產生的平面內、外的彎矩；

MT——熱漲載荷引起的扭矩；

Z——抗彎截面模量；

SA——位移應力的許用范圍；

f——管道位移應力降低系數(shù)，該平臺的設計壽命為20 a，其循環(huán)次數(shù)最多為7000，根據(jù)管道工藝標準ASMEB 31.3的規(guī)定，本算例取1.0；

SC——在所分析的位移循環(huán)期間，預計的最低金屬溫度下的基本許用應力；

Sh——在所分析的位移循環(huán)期間，預計的最高金屬溫度下的基本許用應力；

SL——持續(xù)載荷引起的應力

3 計算載荷

高壓管路系統(tǒng)管道應力分析中應該考慮的載荷包括操作載荷、瞬時載荷和環(huán)境載荷。

3.1 操作載荷

包括重力、壓力和位移載荷等。其中重力包括管道及其附件、流體介質和保溫材料等自重；壓力載荷取設計壓力或根據(jù)工藝有特殊要求的工況確定；位移載荷是管道及其設備熱漲、冷縮造成的位移（端點附加位移）；計算溫度取設計最高、最低溫度，有的工況需要計算操作溫度下的受力情況。

3.2 瞬時載荷

包括氣體或蒸汽管道的柱塞流作用、氣體管道中安全閥排放產生的反作用力、管道的蒸汽吹掃和水錘力。其中水錘力是由閥門開閉、泵的起停等引起的。

3.3 環(huán)境載荷

包括地震、波浪、風、雪和冰等。環(huán)境載荷在處理的時候可以作為冷態(tài)（Sustained）或偶然（Occasional）載荷，但是必須滿足最低溫度為-10℃、最高風速為54.1 m/s的冷態(tài)或偶然載荷的應力限制要求。

4 管道應力分析實例

4.1 建立模型

根據(jù)懸臂梁處的高壓泥漿管系原理圖（如圖2所示），建立懸臂梁處高壓泥漿管路的應力分析模型，如圖3所示。管路中每隔2～3m加管夾固定高壓泥漿管。

圖2 懸臂梁處高壓泥漿原理圖

圖3 懸臂梁處高壓泥漿管模型

4.2 邊界條件

根據(jù)規(guī)格書的規(guī)定，高壓泥漿管路的邊界條件為：設計壓力10000 PSI，管道外徑為177.8 mm，壁厚25 mm，操作溫度21.6℃，設計溫度范圍-10～60℃，介質密度為2.2 g/m3，管子材質為A519 AISI 4130的合金結構鋼。管道應力計算時需要考慮波浪誘導加速度偶然荷載的影響。為保守起見，按照常規(guī)經驗，三個方向波浪誘導加速度全部取為0.5倍重力加速度。因為該管系在懸臂梁和鉆臺處，故必須考慮風載荷的影響。靜態(tài)分析中支撐認為是完全剛性的，軟件默認剛度為1.75×1012N/cm。為避免噪聲和管路的振動，支撐的間隙為0 mm。

4.3 約束類型

根據(jù)管路的走向，管夾約束管路的XZ或YZ方向；不考慮端點附加位移，管路穿鉆臺處作為一個固定邊界，即 X、Y、Z、RX、RY、RZ（3 個線位移和 3 個角位移）都進行約束；剛性元件如法蘭、閥門、小型的管道設備在建模時可以定義為rigid，給定重量即可，管路壓力按照設計壓力計算。

4.4 應力分析

在管道應力分析過程中，確定載荷工況組合是至關重要的。以管道工藝標準ASME B31.3設計規(guī)范為依據(jù)，確定了計算載荷及工況組合。表1為校核工況組合的情況。其中，W為管子自重（包括介質和保溫層的重量）；T1為設計最高溫度60℃；T2為設計最低溫度-10℃；P1為設計壓力10000 PSI；HP為靜液壓力；U1為波浪誘導加速度 （縱搖）0.5g；U2為波浪誘導加速度（橫搖）0.5g；WIN1為縱向36.01 m/s的風速；WIN2為橫向36.01m/s的風速；WIN3為縱向51.4 m/s的風速；WIN4為橫向51.4 m/s的風速；WW為管路充滿水的重量；WNC為管道自重 （不包含介質重量）。通過對以上各個設計的條件要求進行組合，組成如下26種工況，并說明與各個工況相對應的應力類型，主要有：HYD表示靜液壓應力；SUS表示冷態(tài)應力，一般指安裝狀態(tài)（一次應力）；OPE表示熱態(tài)應力，一般指工作狀態(tài)（二次應力）；EXP表示純熱態(tài)應力（二次應力），包括溫度和附加位移。

表1 工況組合工況描述應力類型組合方式

5 結果分析

通過對上述工況計算分析發(fā)現(xiàn)，高壓泥漿管路系統(tǒng)在工況序號為L22～L26的工況下，其二次應力超出管道工藝標準ASME B31.3規(guī)范要求，而且應力集中點相同，圖4為其分析結果，表2為其應力輸出結果。

通過對表2的數(shù)據(jù)可以看出，在L22～L26的工況下，節(jié)點159至節(jié)點169以及節(jié)點310至節(jié)點320處存在應力不滿足管道工藝標準ASME B31.3設計規(guī)范的問題，因此需要消除管路中的應力集中。從圖4中可以看出160節(jié)點在彎管處，因此可行的方案為解除節(jié)點150處的管夾約束從而解決節(jié)點159至節(jié)點169應力集中的問題；而節(jié)點310附近的應力集中可通過在290節(jié)點固定點加上管夾，即把290節(jié)點的固定端約束改為管夾約束從而解決節(jié)點310至節(jié)點320應力集中的問題。對解決方案重新建立模型，并做出計算分析得出高壓泥漿管線的二次應力結果如圖5所示。表3為其應力輸出結果。

圖4 二次應力分析結果

表2 應力分析結果

續(xù)表2

通過對表3數(shù)據(jù)分析可以看出，在L22～L26的工況下，節(jié)點159至節(jié)點169以及節(jié)點310至節(jié)點320處的應力，能滿足管道工藝標準ASME B31.3設計規(guī)范，而且其他節(jié)點處也同樣滿足設計規(guī)范要求。下一步，如果修改后的模型的頻率也滿足規(guī)范設計要求，那么修改后的模型就滿足整個設計要求。對新模型的模態(tài)分析結果如表4所示。

圖5 新的二次應力分析結果

表3 新的應力分析結果

續(xù)表3

表4 頻率分析結果

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，模型的最低頻率大于DNV規(guī)范所規(guī)定的4～5 Hz，滿足規(guī)范要求。因此新的模型設計滿足規(guī)范的設計要求。

6 結語

該文以高規(guī)格的R550D自升式鉆井平臺懸臂梁處的一根高壓泥漿管為例，根據(jù)懸臂梁處的高壓泥漿管系原理圖，建立此處高壓泥漿管的三維模型。根據(jù)R550D自升式鉆井平臺的規(guī)格書，建立模型的約束條件，根據(jù)高壓泥漿管夾布置的位置或類型以及穿艙位置，建立管道模型的約束類型和位置；并根據(jù)管道應力理論和靜載荷下的一次應力和二次應力分析方法，對模型進行分析。通過分析，發(fā)現(xiàn)初步的模型存在應力集中的問題，需要調節(jié)模型應力集中點處的約束類型。如果模型應力集中點處的約束類型不能調整，那么需要調整模型應力集中點附近的約束類型。通過調節(jié)應力集中點附近的約束類型和解除應力集中點附近的約束重新建立模型，解決了高壓泥漿管中存在的應力集中的問題，并對新模型進行模態(tài)分析，結果滿足規(guī)范要求。該方法解決管道應力集中的問題，對今后該類型的鉆井平臺的高壓泥漿管道的應力分析有一定的借鑒和參考價值。

［1］COADE Inc.CAESAR II中文用戶手冊［Z］.北京：中國技術服務培訓中心，2003.

［2］COADE Engineering Software Inc［Z］.1998.

［3］唐永進.壓力管道應力分析［M］.北京：中國石化出版社，2003.

【新聞】

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持續(xù)完善發(fā)展數(shù)值水池功能，在全面推廣基于參數(shù)化模型和數(shù)值水池評價的線型方法后，又在持續(xù)拓展操縱性、波浪中性能等方面的分析優(yōu)化能力。從減小風阻、減小中長波和短波中波浪增阻及控制螺旋槳通氣等方面入手，聚焦提升實際海況中運營性能。增加了在貨艙通風、振動噪聲控制以及動力定位等方面的分析優(yōu)化能力，也依托越來越多的冰區(qū)船舶開發(fā)和設計項目，在線型、推進、結構和防凍化等技術方面取得突破。 （文/秦 時）