葉銳，李瑞東，高成，孫艷超，史婧穎，周華妮

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

在海洋石油鉆采的過程中隔水管系統(tǒng)是其重要的技術(shù)設(shè)備，而隔水管的性能好壞直接影響了海洋石油的鉆采效率，同時(shí)隔水管出現(xiàn)問題后維修難度大，維修費(fèi)用昂貴，因此對(duì)隔水管的密封性能的試驗(yàn)就顯得格外的重要。

現(xiàn)有已知國內(nèi)外隔水管性能試驗(yàn)中，并沒有對(duì)隔水管整體密封性能進(jìn)行研究的方法，因此科研人員對(duì)隔水管整體密封性能的試驗(yàn)問題展開了大量的研究工作。在反復(fù)論證過程中，認(rèn)為彎曲共振原理，不但能夠模擬水下彎曲情況，而且在試驗(yàn)效率上非常的理想。因此需要對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行理論指導(dǎo)，并對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)及改造提供理論依據(jù)。

1 技術(shù)分析

1.1 試樣結(jié)構(gòu)

試樣結(jié)構(gòu)選擇三段結(jié)構(gòu)，三段結(jié)構(gòu)便于裝卸和調(diào)整長度，有利于產(chǎn)生不同的共振頻率[1]。隔水管單根疲勞試件3種結(jié)構(gòu)如圖1所示，試件整體長度為9 m，中間段長度3 m。

圖1 隔水管單根疲勞試件3種結(jié)構(gòu)

1.2 模型建立

采用ANSYS Workbench軟件為模態(tài)計(jì)算分析平臺(tái)[4]，建立3種隔水管全尺寸疲勞試件的模型，根據(jù)對(duì)模型的分析和有限元求解計(jì)算需要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行了簡化，把邊管和隔水管主體處理為剛性連接。試驗(yàn)時(shí)，試件內(nèi)充滿水，試件兩端有激振裝置和配重連接套，水的質(zhì)量和配重質(zhì)量對(duì)試件的固有頻率有很大影響，因此在計(jì)算時(shí)將其質(zhì)量等效施加在試件相應(yīng)位置，各模型結(jié)構(gòu)如圖2所示[2-3]。

圖2 疲勞試樣有限元模型

針對(duì)3種結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行了前12階的自由模態(tài)計(jì)算，其中1～6階模態(tài)為試件各自由度方向的剛體模態(tài)，無意義。9階以上為試件的多次彎曲和復(fù)雜彎曲模態(tài)，不符合共振彎曲疲勞試驗(yàn)方法，不予考慮。7階、8階模態(tài)為試件橫截面兩個(gè)方向的一次彎曲振動(dòng)模態(tài)，在此僅討論試件的7階、8階模態(tài)計(jì)算結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 安裝5根邊管時(shí)有限元分析

圖3為5根邊管試件模型7階、8階模態(tài)計(jì)算結(jié)果，由圖可知，5根邊管模型2個(gè)方向的一次彎曲固有頻率也不相同，但相差較小，7階頻率為32.273 Hz，8階時(shí)為34.846 Hz，這是因?yàn)檫吂茉谥鞴軋A周方向分布較均勻，因此試件2個(gè)方向的剛度相差較小，試件彎曲振動(dòng)的零點(diǎn)位置均在外側(cè)法蘭與主管的過渡處。

圖3 一次彎曲振動(dòng)模態(tài)

圖4為5根邊管試件模型一次彎曲振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力分布情況，7階、8階模態(tài)中應(yīng)力最大位置均出現(xiàn)在外側(cè)法蘭與主管過渡位置處，這是因?yàn)橹虚g隔水管單根2個(gè)彎曲方向抗彎強(qiáng)度都較大，而外側(cè)法蘭與主管過度位置抗彎強(qiáng)度小。

圖4 一次彎曲振動(dòng)模態(tài)下的應(yīng)力分布

5根邊管試件一次彎曲振動(dòng)形態(tài)的2個(gè)彎曲方向固有頻率雖然相差不大，應(yīng)力分布也類似，但是應(yīng)力最大位置并未出現(xiàn)在隔水管單根中間位置，而是在外側(cè)法蘭與主管的過度位置，此處為振動(dòng)零點(diǎn)，是試件支撐位置，并不屬于試驗(yàn)關(guān)注位置，但疲勞試驗(yàn)中卻會(huì)最先疲勞破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。同時(shí)，該模型固有頻率都高于30 Hz，現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)無法激振，達(dá)不到共振彎曲狀態(tài)，當(dāng)前條件下暫時(shí)無法基于該模型開展試驗(yàn)。

2.2 安裝2根邊管時(shí)有限元分析

圖5為2根邊管試件模型7階、8階模態(tài)計(jì)算結(jié)果，由此可知，2根邊管模型2個(gè)方向的一次彎曲固有頻率不相同，且差別較大，7階時(shí)頻率為21.819 Hz，8階時(shí)為33.315 Hz，這是因?yàn)樵嚰?個(gè)方向的剛度相差較大，試件彎曲振動(dòng)的零點(diǎn)位置均在外側(cè)法蘭與主管的過渡處，而8階彎曲模態(tài)中零位移點(diǎn)更靠外側(cè)一些。

圖5 一次彎曲振動(dòng)模態(tài)

圖6為2根邊管試件模型一次彎曲振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力分布情況，7階模態(tài)中應(yīng)力最大位置在單根的中間管壁處，8階模態(tài)中應(yīng)力最大位置在外側(cè)法蘭與主管過渡位置處。

由于2根邊管試件一次彎曲振動(dòng)形態(tài)的2個(gè)彎曲方向固有頻率相差較大，應(yīng)力分布也不同，采用旋轉(zhuǎn)激振的方式僅能激發(fā)試件在其較低固有頻率下達(dá)到共振彎曲狀態(tài)，即7階振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率21.819 Hz，在該共振彎曲狀態(tài)下，試件中間橫截面圓周上的交變彎曲應(yīng)力幅值將不同，只有在剛度最小的方向上應(yīng)力幅值最大，即圖6（a）所示狀態(tài)，因此，在這種共振彎曲狀態(tài)下，不能檢測(cè)到主管圓周方向疲勞強(qiáng)度最低的位置。間管壁處，7階、8階模態(tài)下應(yīng)力分布位置一致，僅方向間隔90°。

圖6 一次彎曲振動(dòng)模態(tài)下的應(yīng)力分布

2.3 無邊管時(shí)有限元分析

圖7 7階、8階振動(dòng)模態(tài)

圖8 7階、8階振動(dòng)模態(tài)應(yīng)力分布

由于無邊管試件一次彎曲振動(dòng)形態(tài)的2個(gè)彎曲方向固有頻率一致，零位移點(diǎn)相同，應(yīng)力分布也一致，因此可以采用旋轉(zhuǎn)激振的方式激發(fā)試件達(dá)到共振彎曲狀態(tài)，并且在試件中間橫截面圓周上的交變彎曲應(yīng)力幅值相同，完全滿足共振彎曲疲勞試驗(yàn)的條件。

3 結(jié)論

本文的目的是想檢測(cè)隔水管單根在未出現(xiàn)主管體焊縫疲勞破壞前，隔水管帶邊管并在彎曲情況下的密封性能。通過以上分析，獲得以下結(jié)論：1）在隔水管振動(dòng)彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)具有一定的學(xué)術(shù)意義，可以獲得主管與邊管疲勞壽命的大概關(guān)系；2）隔水管振動(dòng)彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)有激振能力、安裝條件暫不能具備；3）該試驗(yàn)方案是在考慮主管軸向應(yīng)力最大時(shí)進(jìn)行的試驗(yàn)，并沒有實(shí)現(xiàn)最大彎矩。