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深水隔水管法兰系统的安全性能研究

汤燕  
【摘要】:深水钻井隔水管法兰作为水下管道连接中的一种重要装备将直接影响海上钻井船或平台的稳定性和安全性,而法兰连接要保证管道、立管和其设备安全正常的运行,必须保证整体结构的强度,连接处良好的密封性,以及能够迅速并多次重复装拆,但由于钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂,隔水管法兰受力状态更加恶劣和复杂,其连接装置的强度、稳定性能否适应深水钻井的问题,在国内也未进行过系统的研究。因此,研究深水隔水管法兰系统的安全性能,对于减少钻井平台上的安全生产事故,降低海洋钻井工作带来的巨大损失具有十分重要的意义。对隔水管法兰系统安全性能的研究主要从其力学性能入手,以深水隔水管法兰连接接头为研究对象,通过预加载连接试验、轴对称拉伸试验、水压试验,三个试验研究隔水管接头在不同预加载荷条件下的应力水平及水压试验压力条件下的密封与变形性能。因此,本文展开了一系列有限元模拟分析、试验实测及综合对比分析研究工作。首先,通过对法兰试验载荷作用位置的分析,综合考虑法兰的应力水平以及焊接工艺,结合额定载荷拉伸试验和水压试验的要求,根据API Spec 16R隔水管接头试验的要求,设计能同时满足三个试验要求的两种试验装置,采用有限元模拟对试验装置Ⅰ和装置Ⅱ的强度和稳定性分别进行校核。从装置的应力分布、制造工艺、制造成本等三个方面综合对比两种试验装置,得出两种试验装置中能够完成法兰试验工作的相对合适的试验装置结构。其次,使用Solidworks建立隔水管法兰连接接头的三维模型,通过对法兰和螺栓的应力计算,采用ANSYS Workbench有限元模拟分析法兰在预加载荷试验、额定载荷拉伸试验和水压试验条件下的应力分布规律,并选择应力强度校核的截面位置,针对法兰应力较集中区域和法兰壁厚变化区域选择评定路径,将不同路径的法兰线性化应力结果和相应许用应力进行比较校核。最后,通过预加载荷连接试验、额定载荷拉伸试验及水压试验三部分现场试验测试,分析隔水管接头在不同预加载荷条件下特定部位的应力水平以及在水压试验压力条件下的密封与变形性能。根据试验实测结果与有限元模拟结果的对比分析,结合试验实测情况,综合考虑试验与模拟中存在误差的原因,得出模拟与试验中存在相对差值偏大点的主要误差来源。证明试验所得数据分析结果与数值模拟分析结果具有良好的一致性,有限元模拟在隔水管法兰试验装置下的计算过程可代替法兰试验,对其安全性能的研究具有实质性意义,能够为我国在深水隔水管法兰系统的安全可靠性提供验证性保证。


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