本發(fā)明涉及油田鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能快速評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

非粘結(jié)柔性管道是海洋油氣資源開(kāi)采中必不可少的裝備，隨著人類深海進(jìn)軍步伐的不斷邁進(jìn)，其所面臨的海洋環(huán)境也越來(lái)越惡劣，柔性管受到的彎曲載荷也越來(lái)越大。為了確保柔性管能滿足苛刻的服役環(huán)境，應(yīng)在使用前評(píng)估其抗彎性能。

全尺寸實(shí)物實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)柔性管綜合力學(xué)性能的可靠方法，然而其費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，且不能直觀地反映復(fù)雜載荷作用下柔性管內(nèi)部的受力特征。采用數(shù)值模擬手段評(píng)價(jià)柔性管綜合性能是對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法的有力補(bǔ)充。針對(duì)海洋工程中非粘結(jié)柔性管道的特點(diǎn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者其結(jié)構(gòu)分析上做了大量的工作。然而非粘結(jié)柔性管道的結(jié)構(gòu)分析非常復(fù)雜，目前大部分研究人員所用模型要么對(duì)模型作了大量簡(jiǎn)化，要么未考慮層間摩擦接觸特征，因此所得結(jié)果與柔性管真實(shí)受力特征存在一定的差距。

本專利建立柔性管三維全尺寸有限元模型，考慮層內(nèi)、層間的摩擦接觸，分析典型載荷作用下柔性管各層間的相互作用，結(jié)合彎矩作用下柔性管的應(yīng)力分布狀態(tài)特征，確定多層非粘結(jié)柔性管各功能層抗彎安全系數(shù)，形成柔性管的抗彎性能快速評(píng)價(jià)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)當(dāng)前多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能評(píng)價(jià)方法中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種確定多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能快速評(píng)價(jià)方法，以更好地反映柔性管在真實(shí)復(fù)雜載荷工況條件下的受力特征，保證其使用安全。采用三維有限元分析方能有效地模擬多層非粘結(jié)柔性管在外載作用下的應(yīng)力特征，從而實(shí)現(xiàn)柔性管抗彎性能的有效評(píng)價(jià)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能快速評(píng)價(jià)方法，采用測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和三維有限元計(jì)算方法，得到彎矩作用下多層非粘結(jié)柔性管的應(yīng)力特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)其抗彎性能實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)。具體步驟如下：

1)利用內(nèi)徑表、盤型千分尺、測(cè)厚儀、影像測(cè)量?jī)x等專用測(cè)量工具，測(cè)量多層非粘結(jié)柔性管的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2)利用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、密度測(cè)量?jī)x等專用材料試驗(yàn)設(shè)備和方法，實(shí)驗(yàn)確定多層非粘結(jié)柔性管各功能層所用材料的力學(xué)參數(shù)；

3)利用CAD幾何建模軟件建立多層非粘結(jié)柔性管三維全尺寸幾何模型；

4)利用有限元前處理軟件對(duì)柔性管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立柔性管三維有限元模型；包含內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、耐磨層、保溫層、中間包覆層、外包覆層等；

5)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義層內(nèi)、層間接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；

6)對(duì)模型施加工作載荷和邊界條件，利用ABAQUS對(duì)多層非粘結(jié)柔性管進(jìn)行計(jì)算分析，得到多層非粘結(jié)柔性管的von Mises應(yīng)力分布云圖；

7)分析多層非粘結(jié)柔性管各功能層von Mises應(yīng)力峰值及分布狀態(tài)，確定柔性管各功能層的抗彎安全系數(shù)，取各功能層安全系數(shù)最小值作為多層非粘結(jié)柔性管的抗彎安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能的快速評(píng)價(jià)。

上述的多層非粘結(jié)柔性管為任何一種目前使用的多層非粘結(jié)柔性管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供一種多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能快速評(píng)價(jià)的新方法，采用三維有限元分析技術(shù)對(duì)柔性管的抗彎性能進(jìn)行綜合評(píng)估。相比實(shí)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，三維有限元評(píng)價(jià)方法具有更快速、更經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，且能清楚地反映柔性管內(nèi)部的受力特征。相比現(xiàn)有柔性管有限元分析方法，本發(fā)明所用方法能較好地體現(xiàn)柔性管層內(nèi)、層間的摩擦接觸行為，確定柔性管在真實(shí)載荷工況條件下的應(yīng)力特征。

附圖說(shuō)明

圖1是多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能評(píng)價(jià)方法的流程圖。

圖2是多層非粘結(jié)柔性管三維幾何模型示意圖。

圖3是多層非粘結(jié)柔性管三維有限元模型示意圖。

圖4是典型彎矩作用下柔性管von Mises應(yīng)力分布云圖。其中(a)抗拉鎧裝層內(nèi)層，(b)抗拉鎧裝層外層，(c)整體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說(shuō)明。

一種多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能快速評(píng)價(jià)方法，其根據(jù)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和三維有限元計(jì)算方法，確定柔性管在彎矩作用下的應(yīng)力特征，進(jìn)而評(píng)價(jià)多層非粘結(jié)柔性管的抗彎性能。

所述的測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和三維有限元分析包括如下過(guò)程：

1)利用內(nèi)徑表、盤型千分尺、測(cè)厚儀、影像測(cè)量?jī)x等專用測(cè)量工具，測(cè)量多層非粘結(jié)柔性管的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2)利用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、密度測(cè)量?jī)x等專用材料試驗(yàn)設(shè)備和方法，實(shí)驗(yàn)確定多層非粘結(jié)柔性管各功能層所用材料的力學(xué)參數(shù)；

3)利用CAD幾何建模軟件建立多層非粘結(jié)柔性管三維幾何模型，如圖1所示；

4)利用有限元前處理軟件對(duì)多層非粘結(jié)柔性管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立其三維有限元模型，如圖2所示；

5)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義層內(nèi)、層間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；

6)對(duì)模型施加工作載荷和邊界條件，利用ABAQUS對(duì)多層非粘結(jié)柔性管進(jìn)行計(jì)算分析，得到多層非粘結(jié)柔性管的von Mises應(yīng)力分布云圖；

7)分析多層非粘結(jié)柔性管各功能層von Mises應(yīng)力峰值及分布狀態(tài)，為了保證柔性管使用安全，以材料屈服強(qiáng)度為依據(jù)，分別計(jì)算各功能層安全系數(shù)：

式中，S_i為第i功能層的安全系數(shù)，σ_i為第i功能層的von Mises應(yīng)力峰值，σ_si為第i功能層所用材料的屈服強(qiáng)度。取各功能層安全系數(shù)的最小值，可得多層非粘結(jié)柔性管的安全系數(shù)S＝min{S_i}，實(shí)現(xiàn)多層非粘結(jié)柔性管抗彎性能的快速評(píng)價(jià)。

實(shí)施例：利用三維有限元分析技術(shù)確定多層非粘結(jié)柔性管的抗彎性能

利用本評(píng)價(jià)方法對(duì)某多層非粘結(jié)柔性管進(jìn)行評(píng)價(jià)，該包括內(nèi)襯層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、耐磨層、保溫層、中間包覆層、外包覆層。

利用CAD幾何建模軟件建立柔性管三維幾何模型，如圖2所示。利用有限元前處理軟件對(duì)柔性管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立其三維有限元模型，如圖3所示。

根據(jù)材料試驗(yàn)，該柔性管各層所用材料的材料參數(shù)如表1所示。層內(nèi)、層間的摩擦系數(shù)取0.1。

表1柔性管主要材料參數(shù)

在300kN拉伸載荷的基礎(chǔ)上，對(duì)柔性管施加1887.33N·m的彎矩，得到柔性管的von Mises應(yīng)力分布云圖如附圖4所示。由圖4可見(jiàn)，在300kN拉伸載荷和1887.33N·m彎矩作用下，von Mises應(yīng)力較高的區(qū)域主要集中在抗拉鎧裝層，同時(shí)由于層間的相互擠壓呈現(xiàn)出波節(jié)狀的應(yīng)力分布模式，應(yīng)力峰值為457.7MPa，尚未超過(guò)材料強(qiáng)度極限(498.7MPa)，柔性管未發(fā)生破壞失效。

在300kN拉伸載荷和1887.33N·m彎矩作用下，各功能層von Mises應(yīng)力峰值如表2所示。為了保證柔性管使用安全，以材料屈服強(qiáng)度為依據(jù)，分別計(jì)算各功能層安全系數(shù)：

式中，S_i為第i功能層的安全系數(shù)，σ_i為第i功能層的von Mises應(yīng)力峰值，σ_si為第i功能層所用材料的屈服強(qiáng)度。各功能層的安全系數(shù)如表2所示，取各功能層安全系數(shù)的最小值，可得多層非粘結(jié)柔性管的安全系數(shù)

S＝min{S_i}

根據(jù)上述公式及表2數(shù)據(jù)，可得該多層非粘結(jié)柔性管在300kN拉伸載荷和1887.33N·m彎矩作用下安全系數(shù)為1.08，大于1，因此在300kN拉伸載荷條件下該柔性管能承受1887.33N·m的彎矩。

表2柔性管各功能層應(yīng)力峰值及安全系數(shù)