海洋立管系统的应力磁测技术研究

发布时间：2020-09-22 17:26

　　随着我国海洋石油天然气工业的发展，越来越多的海洋油气资源被勘探和发现，配套技术的研究迫在眉睫。海上油田开发系统中，立管是一个非常关键的组成部分。海洋立管长期在恶劣的海洋环境中服役，受到各种复杂载荷的综合作用，内部一般有高温、高压的油气流过，顶部有与之相连的浮式平台的运动，底部与海床相互作用，外部承受海洋环境荷载作用，并可能承受冲击荷载、地震荷载等，工作环境恶劣，受力非常复杂，一旦损坏就会造成巨大的损失，因此开展海洋立管系统的安全性、稳定性研究十分必要。本文针对海洋立管系统的结构和常见的受力情况，用ansys有限元软件进行了应力分布的模拟，利用基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性检测技术，建立了海洋立管应力检测模型，开发研制了应力检测仪器，对立管应力状况进行动态的跟踪，及时发现不安全隐患，以达到提供预测、延长立管使用寿命的目的。本研究取得了以下成果： 1、立管的损坏大多由应力引起，立管在这种由完好到扭曲、错断直至完全报废的过程中，必然体现出一种应力的变化，正是这种应力的变化直接作用于立管，从而造成了立管的损坏。论文分别讨论了立管径向平面力学模型、轴向剪切力学模型，及其它复杂受力情况下的力学模型。 2、基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性检测技术，研制了有自主知识产权、适用于不同直径的海洋立管应力检测仪器和软件，该检测仪器四个探头将立管剖分成四个区域进行测量，使测量精度更高。 3、设计并研制了适合海洋立管和检测仪器的扶正器，该扶正器通过调节可伸缩臂的伸缩长度来适应于不同直径的立管检测，且能单独拆卸维修，避免单个臂的损耗导致仪器的整体更换，便于实际应用。 4、利用研发的磁测仪器对立管的受力进行了三种模拟加载方式的实验研究，并用有限元法对相应的受力状态进行了模拟计算，经过大量的实验，结果表明：该磁测方法具有不需要完全接触、对立管曲率依赖不大、测量精度高的优点，利用该磁测仪器定量评价立管内部的受力状态，可对海洋立管安全状况进行评价和预测。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

受力图,轴向拉伸,受力图,横截面

图 2.1 轴向拉伸和压缩受力图如图 2.2(a)所示，为了显示立管横截面上的内力，假想地沿横截面 m-m 将其分为两部分。立管左右两段在横截面 m-m 上相互作用的内力是一个分布力系(见图 2.2(b)和(c))，其合力为 N。由左段的平衡条件0x∑ F=，得N P=0，即N =P。

受力图,立管,轴向拉压,受力分析

管柱,受力变形,剪切面,剪应力

与截面 m-m 相切，称为截面 m-m 上的剪应力。与轴向拉压时求横截面上的应力一样，求得剪力 Q 以后，应进一步确定剪上的应力数值。但由于外力作用线距离很近，圣维南原理不再适用，另外变受力比较复杂，难以简化成简单的计算模型，用理论的方法计算此情况下的，往往非常困难，也难以在实际中应用。因此，工程中主要是采用近似计算。这种计算方法假设剪应力在剪切面内是均匀分布的。若 A 代表剪切面面剪应力为τ = Q A(与剪切面相切，称为剪应力。以上计算是以假设“剪应力在剪切面内均匀分基础的，实际上它只是剪切面内的一个平均应力，所以也称为名义剪应力。面面积同样采用式(2.2)计算。

【参考文献】