双层管单层连接管道温度应力分析

2 O l 1年 第 7期 第 4 O卷 第 1页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 O 1 1 ， 4 0 ( 7 ) ： 1 4 o o 文 章 编 号 ： 1 0 0 1 3 4 8 2 ( 2 O 1 1 ) 0 7 0 0 0 1 - 0 4 双层 管单层 连接管道温度应 力分析 党学博 ， 李怀 印 ， 马华伟 ( 中国石化石油勘探开发研究 院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要 ： 为了提高海底管道的铺设效率， 提 出了双层管单层连接 管道结构， 并研 究 了其在正常运行 时 的 温度应 力 。从理 论推 导 出管道 内温度 分 布的计 算 公 式 ， 与数 值 模 拟 结果 吻 合较 好 。采 用有 限元 方法模拟 了管道连接处的温度应 力， 发现最大 Vo n Mi s e s应力 出现在变径 管与单层连接管的焊接 处， 且 内管温度 变化越 大， 壁厚越厚 ， 单接管长度越短， 管内 Vo n Mi s e s 应力越 大。研究结果对双层 管单层连接管道结构设计有指导意义。 关键词： 海底管道； 双层管单接法； 温度分布 ； 应力 中图分 类号 ： T E 9 7 3 1 文 献标识 码 ： A Te mpe r a t u r e S t r e s s An a l y s i s o f Do u b l e wa l l e d Pi p e wi t h S i n g l e - wa l l e d Co n n e c t i o n DA NG Xue b o。 LI H ua i y i n。 M A H ua we i ( Pe t r o l e u m Exp l o r a t i o n a n d Pr o du c t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Si n o p e c， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： For t h e pu r p os e o f i mp r o v i ng e f f i c i e nc y of p i pe l a y i n g， d ou bl e wa l l e d pi pe wi t h s i n gl e wa l l e d c o nn e c t i o n s t r u c t u r e i s pr e s e n t e d Te mpe r a t ur e d i s t r i b ut i on o f s uc h pi p e i n n o r ma l s e r v i c e i s i nv e s t i ga t e d i n t he o r y The a na l y t i c s ol u t i o n a g r e e s ve r y we l l wi t h nu m e r i c a l r e s u l t s The n t he f i n i t e e l e me n t me t h o d ( FEM )i s a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s n e a r t h e c o n n e c t i o n s e g me n t o f p i p e l i n e I t i s f o u n d f r o m t h e n u me r i c a l s o l u t i o n s t h a t ma x i ma l Vo n M i s e s s t r e s s a p p e a r s i n t h e we l d be t we e n i nne r a n d t a p e r e d pi pe The max i ma l Vo nM i s e s s t r e s s i n c r e a s e s a s t he wa l l t hi c kn e s s a nd t e mpe r a t ur e o f i nne r p i pe i nc r e a s e or t he l e n gt h o f s i n gl e wa l l e d c on ne c t i o n pi pe d e c r e a s e s The r e s e a r c h i s he l p f ul f o r t he de s i g n o f d ou bl e wa l l e d p i pe wi t h s i ng l e w a l l e d c o nne c t i on s t r uc t ur e Ke y wo r d s： s ub m a r i n e pi pe l i n e； d oub l e wa l l e d pi pe wi t h s i ng l e wa l l e d c on ne c t i o n； t e mpe r a t u r e d i s t r i b ut i o n； s t r e s s 海底管道是海洋 油气 资源开发的重要组成 部 分 ， 目前主要有单层和双层 2种形式。单层管主要 用于等温输油 ； 双层管用于加热保温输油 。由于 我 国近海海上油 田生产的原 油多为高黏度稠油 ， 海 底管道宜采用双层保温管结构形式_ 2 。双层管在海 上施 工 过程 中焊 接工 艺复 杂 ， 施 工速 度缓慢 ， 费用较 高 。本文提出了一种改进的管道连接形式双层 管单 层 连 接结 构 ， 施工 时 只 需要 焊 接 1道 焊 缝 就 能把 2个预制管段连接起来 ， 简化 了海上作业程序 ， 缩短 了焊 接 和检 测 时 间 ， 铺 管 速度 较 快 。本 文 研 究 了这种管道结构在正常运行期间的温度分布和温度 应力 。 收稿 日期 ： 2 0 1 卜0 1 1 4 基金项 目： 国家高技术研究发展计划( 8 6 3计划) 资助项 目( 2 0 0 6 A A0 9 A1 0 5 1 ) 作者简介 ： 党学博 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 河北邯郸人 ， 工程师 ， 博士 ， 2 O 1 O年毕业于浙江大学土木系 ， 目前从事海 底管道方 面的研究 ， E ma i l ： d a n g x b p e p r i s c o rn。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 1年 7月 l 结构形式 双层 管 单 层 连接 结 构 以 双层 钢 管 为 主 ， 内管 比 外管略长 ， 在每段双层管的两端利用变径管将内、 外 管连接起来， 内、 外管之间填充保温材料 ， 海上施 工时只需将管道两端凸出来的单层管焊接起来 。双 层管单层连接结构如图 1 ， 图中阴影部分为保温材 料 ， 为了减少温降在单层连接管和变径管外面也填 充保温材料 ， 对整个连接部分进行保温。L 为外管 轴向长度 ， L 为变径管轴 向长度 ， 2 L 。为单层连接 管长 度。d 和 d 分 别为外管和 内管 的外 直径 ， t 为外管和变径管的壁厚 ， t 。为 内管和单层连接管的 壁 厚 ， 变径 管斜 度为 1： ” 。 图 1 双 层 管 单 层 连 接 管 道 结 构 2 管道 内温度分布 管道内温度分布如图 2 。假设外管温度与环境 温度相同， 均为 T ， 管道正常运行后 内管温度由 T 升高至 T ， 则 内管 的温度变化量为 T =T z T 。 变径管处于内、 外管之间， 其温度分布和厚壁管道径 向上的温度分布相似， 从 T 逐渐变化到 丁 2 。管道 的传热计算公式嘲为 Q一 5 丁 ( 1 ) -z 式 中， z为沿管线轴向坐标 ； 为管道导热系数 ； T 为管道内的温度变化； S为形状系数 。 S一 ( A 一A ) l n ( A A2 ) ( 2 ) 式 中， A 为内管的横截面积 ； A 为变径管上任意横 截面面积 ， A 一r e d +z ( 1 d 2 ) L 2 一t 1 I t 1 。 2 2 2 22 。9 4 3 6 6 6 1 4 3 e日 9 51 1 n 58- 3 33 6 5 5 5 6 72 77 且 日D 图 2 管道 内温度分布 变径管两端温度分别为 T 和 T 。 ， 则变径管内 温度的分布为 A T e= X T z I 1 - 1 AA 1 - A z in ( A z 一 ) ( 3 ) 式 中 ， z ( 0 ， L。 ) ， A 为 外 管 的 横 截 面 积 ， A 一 7 【 ( d1一 1 ) t 1 。 3 数值模拟 为了验证理论分析的合理性 ， 并分析管道 内温 度应力分布， 采用 ANS YS有限元软件对单层连接 双层管道结构进行模拟 ， 管道几何模型数据如表 1 。 表 1 管道几何模型参数 假设某单层连接双层管道的外管长度为 1 2 1 T I ， 单层连接管长度为 0 7 6 1 T I ， 变径管斜度为 1： 4 ， 管 道材料弹性模量为 2 0 0 G P a ， 泊松 比为 0 3 ， 热膨胀 系数为 1 2 1 0 ( C) 。管道几何尺寸和钢材等 级 均按 AP I 规 范选 取 6 。 3 1 稳态 温度 场模拟 ANS YS中的 S o l i d 9 0单元是一种有 2 0个节点 的高等三维单元 ， 能很好地模拟物体 内的温度分 布 并能适应复杂的边界条件， 因此选用 S o l i d 9 0单元 划分管道模型 ， 根据管道的对称性 ， 横截面内只截取 1 4圆进行建模 。沿 管道壁厚划分 3层单元 ， 环 向 划分为 3 0 个微段。焊缝附近由于存在几何突变， 单 元划分较密 ， 普通双层 管内单元划分 比较稀疏 。图 2给出了管道 内的稳态温度场 ， 内、 外管上 的温度 与 施加的温度荷载相同， 分别为 8 O和 1 5。可以 看 出， 温度只沿管道轴 向变化 ， 在任意横截面内沿环 向和径向基本不变 ， 变径管温度从 1 5逐渐增加到 8 O， 而且 管 道 直 径 越 小 ， 温 度 变 化 越 快 ， 这 与 式 ( 2 ) 的计算结果相同。 3 2温 度应 力 因为 S o l i d 9 0单元只能模拟管道 的温度分布 ， 所以在分析结构应力之前应先把 S o l i d 9 0单元转化 为与其形状和节点数相同并能进行应力应变分析的 S o l i d 9 5单元 。管道 两端横截面取对称约束 ， 纵截 面上与截面垂直的位移为零。导入稳态温度分析结 果 ， 对模型进行重新求解 ， 得到管道 内各点的温度应 力 和应 变 。 由温度变化引起的轴向应力在单层连接管内最 大为 1 6 1 8 9 MP a ； 内管次之 ， 约为 1 5 5 7 O MP a ； 外 第 4 O卷第 7 期 党学博 ， 等 ： 双层管单层连接管道温度应力分析 管最小 ， 仅为 3 3 6 MP a 。由于温度变化， 使变径管 产生轴 向和径向位移压缩相邻的单层连接管 ， 产生 较大的压应力 ， 加上单层连接管 自身的热膨胀 ， 导致 焊缝与单层管连接的地方 Vo n Mi s e s应力最大。但 是焊缝附近存在几何 突变和应力集 中现象， 应力 比 其他地方更大而且分布复杂 ， 很难得到理论解 ， 通常 采用有限元法进行分析 _ 8 。 3 3参数 敏感 性分 析 以管道几何模型数据为基础， 用数值模拟方法 分析内、 外管温度和管道几何尺寸等参数对管道 内 最大 Vo n Mi s e s 应力的影响规律 。 3 3 1温度变化的影响 外管温度不变时， 管道 上的最大 Vo n Mi s e s应 力随内管温度升高而变大， 且二者基本为线性关系。 例如， 外管温度为 1 5， 内管温度从 1 5逐渐增加 到 9 O。C时， 管道内最大 Vo n Mi s e s 应力如图 3 。 器 皇 言 _ K 图 3 不 同温度对应 的最大 Vo n Mi s e s 应力 3 3 2几 何 尺 寸 的 影 晌 1 ) 变径管斜度分别为 1： 2 、 1： 4 、 1： 6时， 最 大 Vo n Mi s e s 应力如图 4 。由图 4可知， 变径管斜度 变化对最大 Vo n Mi s e s 应力 的影 响并不 明显， 只是 斜度为 4 。 时应力较小 ， 应力曲线在 中间略微下凹。 2 ) 按 AP I 5 L规范 ， 假设外 管壁厚为 1 5 8 8 ram( 0 6 2 5英寸) ， 内管 壁厚分别为 9 5 3 ( 0 3 7 5 英 寸) 、 1 2 7 ( O 5 英寸) 、 1 4 3 3 mm ( O 5 6 4 英 寸) 时 ， 或 者内管壁厚 为9 5 3 1 T i m ( O 3 7 5 英寸) ， 外管 壁厚分 别为1 1 1 3 ( O 4 3 8英寸) 、 1 4 3 3 ( O 5 6 4 英寸) 、 1 5 8 8 mm ( 0 6 2 5英寸) 时， 管内最大 Vo n Mi s e s 应力值如 图 5 。可 以看 出 ， 最 大 应 力 随 内管 壁 厚 的 增 大 而 变 大， 随外管壁厚的增大而减小 。 3 ) 单层连接管长度分别为 0 3 8 、 0 7 6、 1 1 4 m时， 最 大 Vo n Mi s e s 应力如图 6 。可以发现 ， 单接 管长度越长 ， 管道内最 大 Vo n Mi s e s应力越小。因 此适 当增加 单 接 管 的长度 有 助 于减 小 管 内最 大 应 力 。 图 4 不 同变径管斜度对应的最大 Vo n Mi s e s 应力 山 皇 毒 要 皇 0 嘣 8 - 8 9 l O 1 6 1 1 4 3 l 2 7 O 1 3 9 7 l 5 2 4 l 6 5 l 壁厚 m m 图 5 不 同径厚 比对应 的最大 V o n Mi s e s 应力 山 宝 器 皇 旨 图 6 不同单接管长度对应 的最大 Vo n Mi s e s 应力 4结论 1 ) 从理论上推导出了外管 、 内管和单层连接 管上温度分布计算公式， 计算结果与数值模拟结果 较 接近 。 2 ) 单层连接管 内的温度应力较大 ， 内管次之， 外管应力最小。最大 Vo n Mi s e s 应力 出现在焊缝附 近 ， 且随着内管温度的增加而变大 ， 二者基本成线性 关系。 3 ) 内管壁厚越大、 外管壁厚越小或者单接管 长度越短 ， 最大 Vo n Mi s e s应力越 大。变径管斜度 不 同时 ， 最 大 Vo n Mi s e s 应 力 略有差 别 ， 斜 度 为 4 。 时 应 力最 小 。 参考 文献 ： 1 Di x o n M An a l y s i s me t h o d s f o r p i p e - i n - p i p e s y s t e ms C L o n d o n ： Of f s h o r e p i p e l i n e s c o n f e r e n c e ， 1 9 9 6 ： 1 15 O 0 0 O 0 “ B d 三 I W 。 嘣 2 0 1 1 年 第 4 0卷 第 7期 第 4页 石油 矿 OI L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 O 1 1， 4 0 ( 7 ) ： 4 8 文 章 编 号 ： 1 0 0 1 - 3 4 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 0 4 0 5 定向井钻井技术及可变径稳定器应用研究 李 凯 ， 高德利 ， 宋执武 ( 中国石油大学 石油工程教育部重点 实验 室 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ) 摘要 ： 常规稳定器与钻铤构成的底部钻具组合( B HA) 力学性能不能改 变， 若与实际要求不相符合 时， 必须起下钻更换 。利用可变径稳定器替代常规稳定器可减少起下钻次数 ， 降低油田建设开发成 本。介绍了可变径稳定器在定向井的应用， 并对 1 0 0多口定向井进行试验分析 ， 总结了可变径稳定 器的优点。合理使 用可变径稳定器不仅可以减少起 下钻次数 ， 还能显著提 高井眼轨迹质量， 降低狗 腿度 及 减 小扭 矩 和摩 阻等 。 关键 词 ： 可 变径稳 定 器 ； 定 向 井； 试验 ； 分析 ； 井眼轨 迹 中图分 类号 ： T E 2 4 3 文献标 识码 ： A Ap pl i c a t i o n Re s e a r c h o f Di r e c t i o n a l W e l l Dr i l l i n g Te c hn o l o g y a n d Va r i a b l e Ga u g e S t a bi l i z e r LI Ka i ， GA0 De 一 “， SONG Zh i wu ( MOE Ke y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a) Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r e v a l u a t e s t h e u s e o f d o wn h o l e a d j u s t a b l e s t a b i l i z e r s t h r o u g h t h e t a n g e n t s e e t i o ns o f d i r e c t i o na l we l l s I t i n c l ud e s a s ur v e y o f m o r e t h a n 1 00 di r e c t i on a 1 w e l l s a nd i l l us t r a t e s t y pi c a l a pp l i c a t i o ns o f t he t o o 1 The s t r a t e g i c pl a c e m e n t of un de r g a ug e a nd f ul l g a u ge ne a r b i t a n d o r f i r s t s t r i n g s t a b i l i z e r s t o c o n t r o l h o l e i n c l i n a t i o n i s n o w p r o v i n g u n n e c e s s a r y A c o r r e c t l y p o s i t i o n e d a d j u s t a b l e s t a b i l i z e r a l l o ws c h a n g e s t o b e ma d e t o b o t t o m h o l e a s s e mb l y( BHA)wi t h o ut pu l l i n g o ut o f ho l e Not o nl y c a n e x pe ns i v e BH A t r i ps b e a v o i de d， bu t c o r r e c t u t i l i z a t i on of a n a d j u s t a b l e s t a b i l i z e r wi l l i mp r o v e t h e t r a j e c t o r y o f h o l e s e c t i o n a n d mi n i mi z e d o g l e g s t o r e d u c e t or q ue a n d pi p e dr a g Ke y wo r d s ：d o wn h o l e a d j u s t a b l e g a u g e s t a b i l i z e r ；d i r e c t i o n a l we l l ；e x p e r i me n t ；a n a l y s i s ； h o l e t r