海洋平台温井强度计算方法研究

邵海龙,刘鸿雁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平台温井强度计算方法研究

邵海龙,刘鸿雁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

针对温度仪表温井强度计算工况复杂、影响因素多的特点，研究了温井强度计算方法，提出了频率比、稳态应力、动态应力和压应力的计算方法。该方法可以快速、准确、直观地了解温度仪表温井在流体作用下的振动情况，并判断振动是否满足强度要求。针对温度仪表未通过温井强度计算的情况，提出了相应的解决方案。该方案既保证了通过温井强度计算，又最大限度地保证了测量精度。实测结果验证了该方法的正确性和可行性，对于简化设计流程和确保海洋平台正常安全生产具有重要意义。

海洋平台； 仪表； 感温元件； 应力； 频率

0 引言

温井即温度仪表保护套管。在使用过程中，感温元件伸入其中，将感温元件与流体介质相隔离，起到保护感温元件的作用。温井在流体的作用下会产生振动，温井的安装位置、管道直径、介质流速和介质密度都会影响其振动速度和幅度，进而影响使用寿命。因此，快速、准确地掌握温井的实际振动情况，将振动产生的影响控制在合理的范围内，已成为海上平台温度仪表选型设计需首要解决的问题。

本文充分研究了影响温井强度计算结果的各个因素，通过项目实践，验证了温井强度计算方法的可行性和准确性。

1 温井强度计算方法

海洋平台通常采用的整体锥形钻孔形式的温井结构如图1所示。

图1 整体锥形钻孔温井结构图

图1中:A为温井根部直径；B为温井尖部直径；b为温井齿根处圆角半径；d为温井内孔直径；t为温井尖部厚度；L为温井长度；D=(A+B)/2。A、B、b、d、t的初始数值均可参考厂家推荐数值，如表1所示。

一般情况下，影响温井强度计算结果的四个主要因素为频率比、稳态应力、动态应力和压应力。当这四者的计算结果均符合强度计算要求时，温井才算通过强度计算[1]。

表1 温井尺寸参数厂家推荐值

1.1 频率比计算

频率比计算主要是通过计算温井自身的固有频率和温井在流体作用下的漩涡分离频率(振动频率)的比值，来判断温井的振动是否在允许范围内。在不同的条件下，只有满足特定的频率比时，温井才能满足强度计算要求。这些条件主要是由轴向共振环应力、质量阻尼因子和雷诺数共同决定的。

1.1.1 固有频率

(1)

其中：

fn=HfHa,fHa,sfa

(2)

式中：Hf、Ha,f、Ha,s均为修正系数;fa为近似固有频率。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:ρm为环境温度下温井的质量密度[3]；ρs为插入温井中感温元件的平均密度，通常取ρs=2 700 kg/m3；E为操作温度下的弹性模量。

1.1.2 轴向共振环应力

轴向共振环应力的判断结果，是确定固有频率和旋涡分离频率(振动频率)频率比的一个重要条件。计算轴向共振环应力首先要确定雷诺数：

(8)

式中：V为流体正常流速;μ为流体黏度。

由不同的雷诺数可以确定不同的斯特鲁哈尔数Ns和同轴谐振流速VIR[4-5]。

当22≤Re≤1 300时:

Ns=0.22(1-22/Re)

(9)

(10)

当1 300≤Re<5×105时:

Ns=0.213-0.024 8R2+0.009 5R3

(11)

(12)

当5×105≤Re<5×107时:

Ns=0.22

(13)

(14)

其中：

R=log10(Re/1 300)

(15)

a(R)=0.028 5R2-0.049 6R

(16)

循环拉应力为:

(17)

谐振条件下产生的循环应力为:

(18)

式中：Cd=0.1;ξ一般为0.000 5[6]。

拉应力和提升应力的合力So,max为：

(19)

当A/b<33时:

Kt=1.1+0.033(A/b)

(20)

当A/b≥33时:

Kt=2.2

(21)

在环应力计算时，提升应力SL为0。

疲劳应力极限为FTFESf。当FTFESf≥So,max时，温井通过了环应力计算，否则未通过环应力计算。其中，FE为环境因子，一般取FE=1，Sf为疲劳应力幅值极限。

FT=E(T)/Eref

(22)

式中：FT为温度修正系数;T为操作温度。

对于A材料等级的温井Eref=29.3×106psi(除了低铬合金为Eref=30.9×106psi)；B材料等级的温井Eref=28.3×106psi(除了铜镍合金为Eref=26.0×106psi)[7]。

1.1.3 旋涡分离频率

旋涡分离频率fs是指温井在流体作用下产生的频率[8-9]：

(23)

1.1.4 质量阻尼因子

质量阻尼因子Nsc为：

Nsc=π2ξ(ρm/ρ)[1-(1/B)2]

(24)

1.1.5 合适的频率比

由上述环应力计算结果以及雷诺数和质量阻尼因子，即可确定不同情况下的频率比。

当Nsc>64且Re<105时，超出了标准的范围，本文暂不研究。

1.2 稳态应力计算

稳态应力计算主要是通过比较LHS和RHS两个数值来确定温井是否通过强度计算。

当LHS≤RHS时，温井通过了稳态应力计算，否则未通过稳态应力计算。

其中：

RHS=1.5S

(25)

(26)

Smax=SD+Sα

(27)

(28)

(29)

Sr=P

(30)

(31)

式中：S为最大允许工作应力；P为操作压力；CD=1.4。

1.3 动态应力计算

动态应力计算主要是通过比较So,max和疲劳应力极限FTFESf来判断温井是否通过强度计算。

当So,max

其中：

(32)

(33)

(34)

式中：Cl=1。

疲劳应力极限计算方法与轴向共振环应力计算方法相同。

1.4 压应力计算

压应力计算主要是通过判断温井根部耐压Pc和温井尖部耐压Pt等级与正常操作压力之间的关系来判断温井是否通过强度计算。如果温井根部耐压和温井尖部耐压均大于正常操作压力，那么温井就通过了强度计算；否则未通过强度计算。

温井根部的耐压等级Pc为：

(35)

温井尖部的耐压等级为：

(36)

2 温井强度计算结果分析

只有当频率、稳态压力、动态压力和压应力四个因素均通过强度计算时，温井才通过了强度计算；如果上述任何一个因素未通过强度计算时，则温井未通过强度计算，此时需修改温井尺寸参数进行重新计算，直到计算通过为止。

为了保证温井通过强度计算和测量精度，通常可以按照以下优先级顺序进行温井参数调整。

①通过增加温井根部直径来增大强度，可以按照整毫米数增加，从而保证计算通过；但根部直径又不能无限增大，应保证根部直径不超过温井管座内径；同时需考虑施工误差。

②如果增加根部直径仍不能通过强度计算，则在增加根部直径的同时可以适当增加温井尖部直径，也可以以整毫米数增加，同时需要保证根部与尖部的锥度。

③如果采用上述两种方法仍然没有通过强度计算，则可以通过适当缩短温井长度来保证计算通过，但一般情况下温井深入管道长度以不低于管径的1/3为宜。

④如果以上方法仍不能通过计算，也可以考虑在温井根部增加加固环来增加温井强度。

⑤如果普通材质的温井不能通过强度计算，也可以考虑选择高强度材料的温井。

3 结束语

本文研究的温井强度计算方法，对于准确掌握温井振动情况，在温井未通过强度计算时如何在保证测量精度的前提下调整温井尺寸或者将精度损失降低到最小，以及对于保证测量需求、温井使用寿命和海洋平台正常安全生产都具有重要的指导意义。

[1] The american society of mechanical engineers.Thermowells performance test codes [S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2010:28-29.

[2] BROCK J E.Stress analysis of thermowells [R].Naval postgraduate school:Monterey,1974:5-6.

[3] DAVIS J R.Metals handbook desk edition [M].2nd Edition.Boca Raton:CRC Press,1998:3-4.

[4] IWATA K,MORISHITA M,SAKAI T,et al.Evaluation of turbulence-induced vibration of a circular cylinder in supercritical reynolds number flow [J].JSME Japan Society of Mechanical Engineers International Journal,2001,44(B):721-728.

[5] BLEVINS R D.Models for vortex induced vibration of cylinders based on measured forces [J].Journal of Fluids Engineering,2009,

131(10):101203.

[6] BLEVINS R D.Flow-induced vibration [M].2nd Edition.Krieger,Malabar:2001:5-6.

[7] The american society of mechanical engineers.Thermowells performance test codes [S].New York:The American Society of Mechanical Engineers,2010:26-27.

[8] ZDRAVKOVICH M M.Flow around circular cylinders [M].Oxford： Oxford University Press,1997:10-11.

[9] SAKAI T,IWATA K,MORISHITA M,et al.Vortex-induced vibration of a circular cylinder in super-critical reynolds number flow and its suppression by structure damping [J].JSME International Journal,2001,44(B):712-720.

[10]Energy Institute.Guidelines for the avoidance of vibration induced fatigue in process pipework[M].2nd Edition.London:Energy Institute,2008:12-13.

Study on the Method of Wake Frequency Calculation in the Offshore Platform

SHAO Hailong,LIU Hongyan

(Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

According to the characteristics of the thermowell wake frequency calculation,complex working conditions and so much affecting factors,the thermowell wake frequency calculation method is studied and the frequency ratio,the static stress,dynamic stress and pressure stress are put forward.The methods can help know the vibration status and judge if the thermowell wake frequency calculation result can meet the requirements quickly,exactly and illustratively.In view of situation that the thermowell doesn’t pass the wake frequency strength calculation,the proposed solution not only can help pass the calculation but also can ensure the accuracy.The experimental result proves that the correctness and feasibility of the methods，and it is very important for simplifying design process and the platform safety production.

Offshore platform; Instrument; Temperature-sensing element; Stress; Frequency

邵海龙(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事仪表控制、仪表选型的设计与研究工作。E-mail:shaohl@mail.cooec.com.cn。

TH811；TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702025

修改稿收到日期:2016-08-25