隔水管挠性接头弯曲循环试验研究

为了验证隔水管挠性接头的弯曲疲劳寿命、耐磨性能和密封性能,对其弯曲循环性能开展了试验研究,并研制了挠性接头弯曲循环试验装置。该装置主要由试验架、循环偏摆系统和静水压系统组成。试验时将隔水管挠性接头安装于试验架内,由循环偏摆系统驱动挠性元件总成循环弯曲,并检测循环次数,静水压试验系统向隔水管挠性接头内腔注水、加压,模拟隔水管系统向隔水管挠性接头施加轴向拉力,并检测其密封性能。顺利完成了隔水管挠性接头在同一挠曲平面内±5°范围内100 000次弯曲循环试验及静水压密封试验。试验结果表明:隔水管挠性接头的弯曲疲劳性能、耐磨性能和密封性能均达到设计要求;试验装置功能齐全、性能可靠,满足了隔水管挠性接头的弯曲循环试验要求。     

深水钻井隔水管系统关键技术研究与发展建议

针对深水钻井隔水管系统特点,分析了隔水管接头设计、隔水管材料、隔水管焊接、挠性接头挠性元件制造、隔水管试验和隔水管系统管理等关键技术,重点阐述了国内在隔水管关键技术研究方面取得的进展和突破,包括具有自主知识产权的隔水管接头快速连接技术、深水隔水管法兰接头用材料X80J、隔水管用X80级埋弧焊直缝钢管、高承载耐疲劳挠性元件制造、大直径厚壁管体全熔透焊接、隔水管载荷装置开发、隔水管系统管理等,对相应关键技术进行总结,并从加快隔水管系统自主配套出发,提出了若干建议。     

X65海洋隔水管多接头全尺寸疲劳试验研究

与单接头全尺寸疲劳试验相比,隔水管多接头加载段内焊接接头之间焊接残余应力影响大,应力干扰和关联应力效应突出;隔水管接头类型多样化,存在异型管与异型材料的焊接,疲劳特征影响因素多而复杂。针对多接头隔水管刚度大、载荷施加难度大的特点,开展了规格为准323.9 mm×18 mm的X65海洋隔水管多接头四点弯曲+内压全尺寸疲劳试验研究,得到多接头全尺寸疲劳试样在不同应力幅值下的疲劳循环次数,并拟合、绘制出隔水管多接头焊接接头疲劳寿命的P-S-N曲线图。隔水管多接头全尺寸疲劳试验不仅降低了试验周期与成本,提高了试验的置信度水平,还可为后续海洋隔水管的设计、制造、维修和结构承载计算提供技术支撑。     

深水钻井隔水管伸缩装置动密封试验研究

为了验证深水钻井隔水管伸缩装置设计原理的正确性、补偿功能和密封性能的可靠性,采用1∶3隔水管伸缩装置原理样机对其动密封进行试验研究。阐述了原理样机的密封设计原理和试验内容,在对试验工况进行分析的基础上,形成了试验总成方案;设计了由动力系统、补偿系统、加压系统、密封驱动系统和连接架体组成的动密封试验装置。利用该试验装置成功开展了深水钻井隔水管伸缩装置原理样机的动密封试验,验证了其密封设计原理的正确性和密封可靠性。试验结果为成功研制深水钻井隔水管伸缩装置奠定了基础。     

深水钻井隔水管环焊缝组焊试验装置研制

基于深水钻井隔水管的使用工况和结构特点,为了对隔水管材料进行焊接工艺研究及优化,研制了隔水管环焊缝组焊试验装置。该试验装置中的变位机解决了大型工件装夹、组对难题,多样化的焊接方法(MIG焊、热丝TIG焊、埋弧焊)利于焊接工艺研究,并扩展了装置的应用范围。试验结果表明,研制的组焊试验装置能够满足隔水管环焊缝的试验研究需要,同时也适用于其他类似产品的组焊生产。     

全尺寸深水钻井隔水管单根耦合分析

为研究不同工况下隔水管单根各部件的受力状况,采用有限元软件ABAQUS建立全尺寸隔水管单根耦合分析模型,模型充分考虑单根各部件的相互关系。提取整体分析结果作为单根局部分析的边界条件,进行作业工况下隔水管柱单根耦合分析,并进行额定载荷工况下单根的极限承载分析。分析结果表明,正常作业工况下,单根最大等效应力发生在主管上,主管应力和变形均较大,而辅助管线和隔水管夹的应力与变形则可忽略;极限工况条件下,隔水管单根仍满足强度要求,但此时主管最大等效应力已接近其许用应力,所以选配隔水管单根时应尽量保证隔水管承受的工作载荷小于其接头的额定载荷。作业工况和极限工况下,主管几乎承担隔水管单根所承受的所有载荷。     

无隔水管钻井液返回管线对接接头设计与分析

钻井液返回管线对接接头对无隔水管钻井技术具有重要意义,由于国内无隔水管钻井技术发展缓慢,钻井液返回管线对接接头的研发尚处于起步阶段。鉴于此,针对南海1 500 m作业水深无隔水管钻井系统,设计了钻井液返回管线对接接头;同时提出无隔水管钻井液返回管线张紧力计算公式,计算了返回管线对接接头的张紧力载荷,并利用ANSYS有限元分析软件分别从张紧力载荷与海流载荷2种受力工况进行对接接头的强度校核。分析结果表明:对接接头满足无隔水管钻井工艺要求,强度符合要求,结构安全可靠;随着钻井液密度的增大,返回管线内径越大,对接接头所承受的应力越大。所得结果可为无隔水管钻井技术关键设备的设计提供理论依据。     

MT-E50F深水钻井隔水管终端接头研制

为满足深水钻井隔水管系统的需要,采用等强度螺栓连接、高压动态密封、高强度厚壁管体全熔透对接焊接等技术,研制了MT-E50F型深水隔水管终端接头,并进行了8 896 kN载荷试验、静水压试验和连接互换性试验。试验结果表明,MT-E50F型隔水管终端接头满足深水使用要求和载荷工作要求,密封性能可靠。提出了进一步完成MT-E50F型隔水管终端接头深水水下工业性海试、开展隔水管LMRP系统集成研究和试验等建议。该装置的成功开发对海洋钻井隔水管系统国产化具有一定的参考作用。     

钻井隔水管柔性悬挂系统试验装置设计及仿真研究

半潜式钻井平台隔水管在防台过程中采用硬悬挂和软悬挂均不能完全满足恶劣环境下平台安全撤离要求。根据硬悬挂和软悬挂特点,提出了隔水管柔性悬挂方案,并根据相似原理设计了隔水管柔性悬挂系统试验装置,该试验装置主要包括升沉模拟系统、运动补偿系统和负载等3部分。采用限压补偿法,利用SimulationX软件对隔水管柔性悬挂系统试验装置进行了仿真分析,仿真结果表明:本文设计的隔水管柔性悬挂系统试验装置可以模拟平台升沉、削弱隔水管动载等试验功能;隔水管柔性悬挂装置可以运用有限行程降低负载加速度,证明了隔水管柔性悬挂避台的可行性。本文研究成果为半潜式钻井平台隔水管悬挂避台提供了新思路。     

非海洋平台环境下海洋双井口井架载荷试验装置设计

通过对海洋双井口井架的设计原理、使用工况和功能特点进行分析,设计了非海洋平台环境下海洋双井口井架载荷试验装置。该试验装置包括安装底座、双井口加载系统和控制系统。介绍了双井口井架加载试验装置主承载部件的结构设计特点和强度计算。双井口载荷试验装置可用于非海洋平台环境下双井口井架在满载工况下的型式试验研究。     

深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳分析

波激疲劳是深水钻井隔水管-导管系统最主要的失效模式之一。综合考虑波浪载荷、钻井平台运动和土壤抗力建立了深水钻井隔水管-导管耦合系统波激疲劳分析方法,实例分析了中国南海某井深水钻井隔水管-导管系统波激疲劳寿命,识别出了系统波激疲劳关键部位,并与隔水管常规分析模型的计算结果进行了对比。在此基础上,研究了钻井平台运动幅值、顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度对系统波激疲劳特性的影响。结果表明,常规分析模型将隔水管底部看作固定端导致隔水管波激疲劳损伤过大,而本文提出的隔水管-导管系统分析模型能较好地模拟隔水管实际受力情况;隔水管最大波激疲劳损伤出现在下挠性接头处,导管的最大波激疲劳损伤出现在泥线附近;导管是整个系统中波激疲劳性能最薄弱的环节,适当地减小钻井平台运动幅值、隔水管顶张力、下挠性接头转动刚度和井口出泥高度均能改善导管波激疲劳性能。     

海洋立管全尺寸疲劳试验方法研究及标准化应用

为了定量评价海洋立管产品的疲劳寿命,对海洋立管共振弯曲疲劳试验的力学模型进行理论研究,得到该模型的应力幅和固有频率,为海洋立管全尺寸疲劳试验标准化提供理论依据。同时开发了共振弯曲疲劳试验平台,制订了SY/T 7605—2020《海洋立管全尺寸疲劳试验方法》等2项标准,进一步阐述了该标准的主要技术内容,规范了海洋立管全尺寸疲劳试验装置、试样设计与制备、试验结果处理等方面的具体技术要求。根据标准完成了20多组疲劳寿命测试,结果表明,立管系统的疲劳试验方法及焊接工艺较为合理,有助于提升海洋立管产品的质量。     

Nonlinear dynamic analysis and fatigue damage assessment for a deepwater test string subjected to random loads

The deepwater test string is an important but vulnerable component in offshore petroleum exploration, and its durability significantly affects the success of deepwater test operations. Considering the influence of random waves and the interaction between the test string and the riser, a time-domain nonlinear dynamic model of a deepwater test string is developed. The stress-time history of the test string is obtained to study vibration mechanisms and fatigue development in the test string. Several recommendations for reducing damage are proposed. The results indicate that the amplitude of dynamic response when the string is subjected to random loads gradually decreases along the test string, and that the von Mises stress is higher in the string sections near the top of the test string and the flex joints. In addition, the fatigue damage fluctuates with the water depth, and the maximum damage occurs in string sections adjacent to the lower flex joint and in the splash zone. Several measures are proposed to improve the operational safety of deepwater test strings: applying greater top tension, operating in a favorable marine environment, managing the order of the test string joints, and performing nondestructive testing of components at vulnerable positions.     

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度,脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等.系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素.研究了各因素影响隔水管设计的机理.定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响.研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构,配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度.悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性.相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考.     

深水钢悬链线立管全尺寸共振弯曲疲劳试验设计参数的确定

钢悬链线立管作为深海海洋石油连接浮式生产装置与海底生产系统的关键装备,由于海流运动、涡激振动及波浪涌动,长期承受垂直张力及交变应力的作用,可能导致疲劳失效。为了避免此类情况的出现,需对钢悬链线立管进行焊缝疲劳试验,预估其疲劳寿命。通过对钢悬链线立管全尺寸共振疲劳试验分析,其设计参数主要包括试样长度和固有频率、焊缝位置,焊缝数量、应变控制等。建立数值解析求解方法和模态分析法组合法,确定试样长度和试样一阶固有频率,为深水钢悬链线立管共振弯曲疲劳试验提供理论基础。焊缝数量和焊缝位置需考虑焊接热影响区和焊缝应力集中区域大小的影响,建议在立管试样上设置2个对焊接头进行评价,控制应变应以焊缝位置的应变为控制基准。通过分析钢悬链线立管全尺寸共振疲劳试验设计参数,为促进钢悬链线立管的国产化提供技术支撑。     

超深水钻井系统隔水管波致疲劳研究

钻井隔水管是深水油气田开发的关键装备,钻井系统浮体运动与波浪载荷可能导致隔水管的疲劳失效。在超深水环境下,浮体与细长结构之间的交互作用十分显著,而基于常规解耦方法预测得到的隔水管波致疲劳状况是不准确的,因此,建立了超深水环境下的系泊钻井系统有限元模型。基于耦合系统分析方法,对隔水管疲劳特性进行的研究表明,由低频浮体运动导致的低频疲劳是引起隔水管疲劳失效的重要因素,同时受浮体与细长结构之间耦合效应的影响也比较显著。因此,精确预测浮体运动是分析隔水管波致疲劳的关键,推荐采用耦合系统分析方法。     

随钻震击器接头断裂分析及改进措施

随钻震击器是一种重要的井下解卡工具,由于其工作环境恶劣、受力状态复杂,震击器接头容易发生断裂。为提高产品质量,延长接头的使用寿命,减少断裂事故的发生,需要对接头断裂原因进行分析并实施相应的改进。针对一起随钻震击器上接头的断裂事故,采用试验与理论相结合的方法进行断裂原因分析。对接头进行了宏观分析、尺寸测量、无损检测、材质理化性能检验（包括化学成分、力学性能和金相组织）。对钻具组合进行了重点分析,并对随钻震击器上接头和转换接头的弯曲强度比进行详细计算。结果表明随钻震击器上接头发生断裂的原因是由于钻具组合不合理以及随钻震击器上接头和转换接头的匹配不当导致的疲劳断裂,材料冲击韧性低进一步缩短了疲劳寿命,最后提出了改进措施并取得了较好的效果。     

海洋钻井隔水管适用性评价技术研究

根据海洋钻井隔水管自身特点,采用基于断裂力学的单根适用性评价方法,考虑隔水管疲劳载荷特点和海浪的随机载荷影响,通过分析和控制缺陷扩展可以避免疲劳失效,并进行剩余疲劳寿命预测。计算实例表明,波浪载荷是造成海洋钻井隔水管疲劳损伤的重要原因,海洋钻井隔水管的初始裂纹尺寸a0越小,其疲劳寿命越长,反之,则寿命越短。因此,提高裂纹检测水平,以及尽早发现细小缺陷对延长钻井隔水管的剩余寿命至关重要。