H6006高压泥浆管应力分析

1、高压泥浆管路应力分析报告广州星际海洋工程设计有限公司2017年01月-9-目录目录第一章 前言1第二章 高压泥浆系统原理概述2第三章 应力分析对象及方法33.1 分析对象33.2 分析方法33.3 管道应力分析理论3第四章 实例分析44.1 参数的选取及模型的建立44.2 模型分析44.3 应力分析54.4 位移分析64.5 结束语8附录9第一章 前言第一章 前言自升式钻井平台具有可移动性好、用钢量少、造价相对低等特点，在各种海况下几乎都能维持工作，工作水深约为100 m，钻井深度可达9000 m。自升式钻井平台上除了有与常规船舶相似的管路系统，还有一些为钻井生产服务或者与平台特殊构造相关的特

2、殊系统，如高压泥浆系统。钻井平台的高压泥浆系统是钻井系统中最为重要和核心的系统之一，它的设计成功与否直接关系着整个钻井平台的成败。高压泥浆系统之所以采用高压，是由于泥浆在循环过程中需要克服来自各个环节的阻力以保证泥浆正常的循环流动，故称之为泥浆系统的“心脏”。系统中的管线材料、管线走向、管支架的设计、以及阀件、弯头等自身强度及连接情况，显得尤为重要。管线应力分析是管线设计的基础，一段管子的断裂，一个支架的失效都有可能引起整个系统停止运转，引起整个工程的瘫痪，造成巨大的经济损失。随着工程设计可靠性越来越受到重视，管线应力分析在工程设计过程中得到了更为广泛地应用，它可以有效地提高设计质量，避免设计

3、问题在使用阶段暴露引起的损失。鉴于此，以R550D1自升式钻井平台（H6006）中的高压泥浆管路为对象展开分析，利用AUTOPIPE专业管系应力分析软件建立高压泥浆管路模型，合理设置载荷工况，分析该高压泥浆管路的应力情况，合理的布置管路，保证钻井平台安全。第二章 高压泥浆系统原理概述第二章 高压泥浆系统原理概述高压泥浆从泥浆泵的排出口开始在管路中的传输，首先到达的第一站是高压泥浆立管，依次是高压软管、顶驱、钻杆、钻铤、钻头、地质层、套管、防井喷装置、隔水套管环形空间，分流器，泥浆回流主管，再经泥浆处理装置，最后回到泥浆舱（详见图2.1）。一般地，高压泥浆的压力可达到7500 PSI，以克服泥浆

4、在传输过程中的重力，摩擦损失以及携带井底的岩屑。图2.1 泥浆循环系统示意图第三章 应力分析对象及方法第三章 应力分析对象及方法3.1 分析对象针对R550D1自升式钻井平台中的高压泥浆管路进行建模分析，该泥浆管路的组成部分主要有：管路，阀，导向支架，三通，法兰，弯头等。3.2 分析方法本文采用Autopipe专业分析软件对高压泥浆管路进行应力分析，Autopipe是一套直接基于Windows操作平台的工程分析软件，包括静态和动态条件下管线应力的计算、法兰分析、管道支吊架设计以及设备管嘴荷载分析，并与美国机械工程师协会ASME B31.3标准进行应力校核。3.3 管道应力分析理论管道应力分析可

5、以分为静力分析和动力分析两部分。静力分析是指在静力载荷作用下对管子进行力学分析，并进行相应的安全评定，使之满足标准规范的要求。动力分析则主要指往复压缩机和往复泵管道的振动分析、管道的地震分析、水锤和冲击载荷作用下管道的振动分析。管道应力根据性质可以分为一次应力和二次应力。一次应力是由于压力、重力和外部载荷的作用所产生的应力。它是平衡外部载荷所需要的应力，随外部载荷的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即使外部载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性流动，直至破坏。二次应力是由于热涨、冷缩、端点附加位移等位移载荷的作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是为满足位移约束条件或管道自身变形的连

6、续要求所必须的应力。二次应力具有自限性，即局部屈服或小量变形就可以使位移约束条件或自身变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。一般来讲，只要不反复加载，二次应力不会导致管道破坏，也就是说二次应力引起的主要是疲劳破坏。第四章 实例分析第四章 实例分析4.1 参数的选取及模型的建立建立高压管路应力分析模型是对实际情况进行的有效而合理的简化过程，通过对模型进行模拟状况参数的分析，从而指导和改善实际产生的应力问题。与一般管路不同，高压泥浆系统的管路具有压力高、壁厚大和对布置的合理性要求高的特点，表4.1是高压泥浆系统的一些基本的参数。表4.1 高压泥浆系统基本参数材料管径壁厚设计压力屈服极限拉伸极

7、限ASTMA519AISI413088.915.24345Bars518MPa655MPaASTMA519AISI4130114.317.12345Bars518MPa655MPaASTMA519AISI4130141.319.05345Bars518MPa655MPaASTMA519AISI4130168.321.25345Bars518MPa655MPa高压管路设计数据如下: 设计压力10000 PSI，管道外径为141.3 mm，壁厚19.05 mm，操作温度21.6，管子材质为A519AISI4130的合金钢。根据已经完成的管线布置图在 AUTOPIPE内建立用于应力分析的模型，如图4

8、.1所示，建模时，不仅要保证尺寸的一致性，还要确保各个约束点属性的正确，这在某种意义上决定了应力分析的正确性。图4.1 高压泥浆管路模型4.2 模型分析该高压泥浆管路的应力分析模型参见4.1，在模拟分析过程中，静态分析中支撑认为是刚性的。为了避免噪音和管路的振动，支撑的间隙为0 mm；如果不考虑端点附加位移时，管路与机器设备连接处可以作为一个固定边界，即X、Y、Z、RX、RY、RZ( 三个线位移和三个角位移) 都进行约束；刚性元件如法兰、阀门、小型的管道设备在建模时可以定义为rigid，给定重量即可。4.3 应力分析在高压管路应力分析过程中，确定载荷工况组合是至关重要的。以ASME B31.3

9、 设计规范为依据，根据标准要求，应力值不应大于规则所确定的应力值的80%，挤压许用应力值不应大雨此应力值的160%。确定了计算载荷及工况组合，表4.2为校核工况组合的情况；图4.2、4.3、4.4分别是不同载荷组合情况下的高压泥浆管路应力图。表4.2 部分管点不同载荷工况下的应力值应力类型管点应力/（N/mm2）实际应力与允许应力的比率（%）荷载组合实际值允许值一次应力A30N194.5390.70.5GR+Max P一次应力A18179.88390.70.46GR+Max P一次应力A19N171.24390.70.44GR+Max P一次应力A19F165.8390.70.42GR+Max

10、 P一次应力A22173.46390.70.44GR+Max P二次应力Q000468.840Max Range二次应力P080468.840Max Range环向应力R00274.61390.70.7Max P环向应力R14274.61390.70.7Max P环向应力A20F274.61390.70.7Max P环向应力L09274.61390.70.7Max P图4.2 GR+Max P载荷下应力图图4.3 Max Range载荷下应力图图4.4 Max P载荷下应力图经静力分析结果可得，管道各节点的一次应力及二次应力均满足要求。4.4 位移分析借助AUTIPIPE软件强大的计算功能，可

11、以得到每种工况对应的支架受力情况、管路的位移情况、应力情况，进而判断管路布置是否合理，并通过模型变形情况来避免应力集中分布的情况。下图4.5为模拟管路受力情况下，高压泥浆管路偏转形状图，表4为部分管点Y方向偏移距离：图4.5 高压泥浆管受载位移偏转形状图表4.3 高压泥浆管路部分管点位移值管点位移/（mm）旋转/deg荷载组合DxDyDz总计RxRyRz总计R13F-2.25-1.93-0.022.96-0.790-0.220.82GRT11A21F-1.50-67.920.3467.94-0.17-0.01-0.330.37GRT11A24F-1.60-70.580.5370.60-0.03

12、-0.01-0.160.17GRT11Q01F-2.37-42.070.8742.15-0.37-0.03-0.060.38GRT11Q02F-2.54-39.971.1940.07-0.28-0.020.060.28GRT11A25-1.60-471.2647.050.5900.470.75GRT11A26N-1.60-44.761.2444.810.6100.470.77GRT11P06F0.64-10.82-0.3210.840.200.030.360.41GRT11经数据可得，该管路在载荷作用下，在A21F、A24F、Q01F、Q02F、A25、A26N等管点的Y方向偏转位移较大，其中

13、A24F最大，Y向偏转70.58mm，总计70.6mm，并且这些管点在受载时也发生了轻微旋转，因此，为了确保管路的正常、安全运转，需要在这些管段安装相应的管子夹、支架来固定管路。此外，由于高压泥浆管路压力非常高，设备应该尽量临近布置，来缩短管路的长度；如果管路较长，则一定要优化导向架的布置，以避免管路发生碰撞干涉；此外，由AUTOPIPE应力分析结果可得，弯头处易出现应力集中，因此管路在布置时要保持横平竖直，尽量减少弯头的数量，如无法避免使用弯头，则应该优先使用长半径弯头。由于自升式钻井平台空间有限，结构、设备、管路布置紧凑，这给高压管道布置增加非常大的难度。借助AUTIPIPE软件强大的计算功能，可以得到每种工况对应的支架受力情况、管路的位移情况、应力情况，进而判断管路布置是否合理，并通过模型变形情况来避免应力集中分布的情况，还可以避免安装过程中出现的干涉碰撞，保障钻井