超深水隔水管典型海况静力分析

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【摘要】海洋隔水管是海洋浮式钻井平台中的关键设备之一，同时也是薄弱易损的构件之一。本文利用数值分析软件 ANSYS 对超深水隔水管进行了详细几何非线性静力分析，分析了典型工况下隔水管模型的受力和变形，为超深水环境条件下隔水管刚度、强度设计提供科学参考。

【关键词】隔水管 超深水 静力分析 ANSYS

1 理论分析模型

1.1 基本假设

超深水条件下，隔水管的受力情况变得十分复杂。因此，在用有限单元法分析隔水管的力学特性之前，有必要作一些假设：

（1）在每个单元内，几何特性和材料特性保持不变；

（2）隔水管下端与球铰相连，简化为固定铰支约束；

（3）隔水管上端与浮式钻井装置相连，简化为可动铰支约束；

（4）隔水管在自重与外载作用下属于小应变大变形问题；

（5）隔水管内充满钻井液，不考虑钻柱对隔水的影响；

（6）波浪、海流载荷的作用角度均为0°。

1.2 力学模型与载荷理论

基于以上假设，隔水管荷载主要包括横向载荷与轴向载荷。横向载荷为波浪载荷与海流载荷，轴向载荷主要包括自重、浮力及顶部张拉力。如图1隔水管静力分析示意图 ：计算时应同时考虑流体速度和结构本身的运动速度。

1. 3 有限元模型的建立

利用ANSYS 建立隔水管的有限元模型，把整个隔水管离散为有限个P IPE289单元进行力学分析。其中海流、海浪荷载可通过命令SOCEAN、OCTYPE、OCDATA和OCTABLE输入。

2 计算实例

以某超深水油田为例，分析其钻井隔水管的受力状况，其基本参数如下：①隔水管尺寸：外径1.5m，壁厚0.1m；②材料参数：弹性模量2.1E11Pa，泊松比0.3，密度7850kg/m3；③环境参数：水深2000m；有效波高8m，波周期15s，波浪相位角55°；海面流速2m/s，海底流速0m/s；阻力系数0.7，惯性力系数2.0；④海水密度1030kg/m3钻井液密度1200kg/m3；⑤顶部张力1.0G*，G*为隔水管浮重。

在ANSYS 14.0中建立有限元模型，取P IPE289单元长度为2m，并通过NLGEOM，ON命令开启ANSYS大变形计算功能。ANSYS计算结果如下图所示：

ANSYS计算结果表明：①最大位移13.0173m出现在隔水管沿深度方向的中点附近；②弯矩和剪力均呈两头大中间小形状分布，最大弯矩出现在水面以下41m附近，因此设计时应提高靠近海面和海底位置隔水管的抗弯和抗剪能力；③隔水管上部受拉下部受压，且轴力值大小由两端向中间逐渐减小，“0”值点出现在水下1310m附近，因此设计时应提高上端的抗拉能力和下端的抗压能力。

参考文献

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