本發(fā)明涉及油田鉆井技術領域，特別是一種多層非粘結柔性管抗拉性能快速評價方法。

背景技術：

非粘結柔性管道是海洋油氣資源開采中必不可少的裝備，隨著人類深海進軍步伐的不斷邁進，其所面臨的海洋環(huán)境也越來越惡劣，柔性管受到的軸向拉力也越來越大。為了確保柔性管能滿足苛刻的服役環(huán)境，應在使用前評估其抗拉性能。

全尺寸實物實驗是評價柔性管綜合力學性能的可靠方法，然而其費用高、周期長，且不能直觀地反映復雜載荷作用下柔性管內(nèi)部的受力特征。采用數(shù)值模擬手段評價柔性管綜合性能是對實驗評估方法的有力補充。針對海洋工程中非粘結柔性管道的特點國內(nèi)外學者其結構分析上做了大量的工作。然而非粘結柔性管道的結構分析非常復雜，目前大部分研究人員所用模型要么對模型作了大量簡化，要么未考慮層間摩擦接觸特征，因此所得結果與柔性管真實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，結合軸向力作用下柔性管的應力分布狀態(tài)特征，確定多層非粘結柔性管各功能層抗拉安全系數(shù)，形成柔性管的抗拉性能快速評價方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對當前多層非粘結柔性管抗拉性能評價方法中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種確定多層非粘結柔性管抗拉性能快速評價方法，以更好地反映柔性管在真實復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柔性管在外載作用下的應力特征，從而實現(xiàn)柔性管抗拉性能的有效評價。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種多層非粘結柔性管抗拉性能快速評價方法，采用測量、實驗和三維有限元計算方法，得到軸向拉伸載荷作用下多層非粘結柔性管的應力特征，在此基礎上對其抗拉性能實現(xiàn)快速評價。具體步驟如下：

1)利用內(nèi)徑表、盤型千分尺、測厚儀、影像測量儀等專用測量工具，測量多層非粘結柔性管的結構參數(shù)；

2)利用MTS萬能試驗機、密度測量儀等專用材料試驗設備和方法，實驗確定多層非粘結柔性管各功能層所用材料的力學參數(shù)；

3)利用CAD幾何建模軟件建立多層非粘結柔性管三維全尺寸幾何模型；

4)利用有限元前處理軟件對柔性管進行網(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)、層間接觸關系，包括法向接觸關系和切向接觸關系；

6)對模型施加工作載荷和邊界條件，利用ABAQUS對多層非粘結柔性管進行計算分析，得到多層非粘結柔性管的von Mises應力分布云圖；

7)分析多層非粘結柔性管各功能層von Mises應力峰值及分布狀態(tài)，確定柔性管各功能層的抗拉安全系數(shù)，取各功能層安全系數(shù)最小值作為多層非粘結柔性管的抗拉安全系數(shù)，實現(xiàn)多層非粘結柔性管抗拉性能的快速評價。

上述的多層非粘結柔性管為任何一種目前使用的多層非粘結柔性管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有以下突出的優(yōu)點：

本發(fā)明提供一種多層非粘結柔性管抗拉性能快速評價的新方法，采用三維有限元分析技術對柔性管的抗拉性能進行綜合評估。相比實物實驗評價方法，三維有限元評價方法具有更快速、更經(jīng)濟的特點，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，確定柔性管在真實載荷工況條件下的應力特征。

附圖說明

圖1是多層非粘結柔性管抗拉性能評價方法的流程圖。

圖2是多層非粘結柔性管三維幾何模型示意圖。

圖3是多層非粘結柔性管三維有限元模型示意圖。

圖4是典型軸向拉伸載荷作用下柔性管von Mises應力分布云圖。其中(a)抗拉鎧裝層內(nèi)層，(b)抗拉鎧裝層外層，(c)整體。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明專利進一步說明。

一種多層非粘結柔性管抗拉性能快速評價方法，其根據(jù)測量、實驗和三維有限元計算方法，確定柔性管在軸向拉力作用下的應力特征，進而評價多層非粘結柔性管的抗拉性能。

所述的測量、實驗和三維有限元分析包括如下過程：

1)利用內(nèi)徑表、盤型千分尺、測厚儀、影像測量儀等專用測量工具，測量多層非粘結柔性管的結構參數(shù)；

2)利用MTS萬能試驗機、密度測量儀等專用材料試驗設備和方法，實驗確定多層非粘結柔性管各功能層所用材料的力學參數(shù)；

3)利用CAD幾何建模軟件建立多層非粘結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多層非粘結柔性管進行網(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)、層間的接觸關系，包括法向接觸關系和切向接觸關系；

6)對模型施加工作載荷和邊界條件，利用ABAQUS對多層非粘結柔性管進行計算分析，得到多層非粘結柔性管的von Mises應力分布云圖；

7)分析多層非粘結柔性管各功能層von Mises應力峰值及分布狀態(tài)，為了保證柔性管使用安全，以材料屈服強度為依據(jù)，分別計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應力峰值，σ_si為第i功能層所用材料的屈服強度。取各功能層安全系數(shù)的最小值，可得多層非粘結柔性管的安全系數(shù)S＝min{S_i}，實現(xiàn)多層非粘結柔性管抗拉性能的快速評價。

實施例：利用三維有限元分析技術確定多層非粘結柔性管的抗拉性能

利用本評價方法對某多層非粘結柔性管進行評價，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柔性管進行網(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，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)

在拉伸載荷作用下柔性管的von Mises應力分布云圖如附圖4所示。由圖4可見，在300kN拉伸載荷作用下，von Mises應力較高的區(qū)域主要集中在抗拉鎧裝層，同時由于層間的相互擠壓呈現(xiàn)出波節(jié)狀的應力分布模式，應力峰值為418.5MPa，尚未超過材料強度極限，柔性管未發(fā)生破壞失效。

在300kN拉伸載荷作用下，各功能層von Mises應力峰值如表2所示。為了保證柔性管使用安全，以材料屈服強度為依據(jù)，分別計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應力峰值，σ_si為第i功能層所用材料的屈服強度。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)，可得該多層非粘結柔性管在300kN拉伸載荷作用下安全系數(shù)為1.19，大于1，因此其抗拉性能穩(wěn)定。

表2柔性管各功能層應力峰值及安全系數(shù)