深水钻井隔水管在海洋动态载荷下的密封试验技术研究

叶锐，李瑞东，高成，孙艳超，史婧颖，周华妮

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002）

0 引言

在海洋石油钻采的过程中隔水管系统是其重要的技术设备，而隔水管的性能好坏直接影响了海洋石油的钻采效率，同时隔水管出现问题后维修难度大，维修费用昂贵，因此对隔水管的密封性能的试验就显得格外的重要。

现有已知国内外隔水管性能试验中，并没有对隔水管整体密封性能进行研究的方法，因此科研人员对隔水管整体密封性能的试验问题展开了大量的研究工作。在反复论证过程中，认为弯曲共振原理，不但能够模拟水下弯曲情况，而且在试验效率上非常的理想。因此需要对相应的试验数据进行分析，来为现场试验进行理论指导，并对相应的试验台的建设及改造提供理论依据。

1 技术分析

1.1 试样结构

试样结构选择三段结构，三段结构便于装卸和调整长度，有利于产生不同的共振频率[1]。隔水管单根疲劳试件3种结构如图1所示，试件整体长度为9 m，中间段长度3 m。

图1 隔水管单根疲劳试件3种结构

1.2 模型建立

采用ANSYS Workbench软件为模态计算分析平台[4]，建立3种隔水管全尺寸疲劳试件的模型，根据对模型的分析和有限元求解计算需要对实际模型进行了简化，把边管和隔水管主体处理为刚性连接。试验时，试件内充满水，试件两端有激振装置和配重连接套，水的质量和配重质量对试件的固有频率有很大影响，因此在计算时将其质量等效施加在试件相应位置，各模型结构如图2所示[2-3]。

图2 疲劳试样有限元模型

针对3种结构模型分别进行了前12阶的自由模态计算，其中1～6阶模态为试件各自由度方向的刚体模态，无意义。9阶以上为试件的多次弯曲和复杂弯曲模态，不符合共振弯曲疲劳试验方法，不予考虑。7阶、8阶模态为试件横截面两个方向的一次弯曲振动模态，在此仅讨论试件的7阶、8阶模态计算结果。

2 结果分析

2.1 安装5根边管时有限元分析

图3为5根边管试件模型7阶、8阶模态计算结果，由图可知，5根边管模型2个方向的一次弯曲固有频率也不相同，但相差较小，7阶频率为32.273 Hz，8阶时为34.846 Hz，这是因为边管在主管圆周方向分布较均匀，因此试件2个方向的刚度相差较小，试件弯曲振动的零点位置均在外侧法兰与主管的过渡处。

图3 一次弯曲振动模态

图4为5根边管试件模型一次弯曲振动模态对应的轴向应力分布情况，7阶、8阶模态中应力最大位置均出现在外侧法兰与主管过渡位置处，这是因为中间隔水管单根2个弯曲方向抗弯强度都较大，而外侧法兰与主管过度位置抗弯强度小。

图4 一次弯曲振动模态下的应力分布

5根边管试件一次弯曲振动形态的2个弯曲方向固有频率虽然相差不大，应力分布也类似，但是应力最大位置并未出现在隔水管单根中间位置，而是在外侧法兰与主管的过度位置，此处为振动零点，是试件支撑位置，并不属于试验关注位置，但疲劳试验中却会最先疲劳破坏，导致试验中断。同时，该模型固有频率都高于30 Hz，现有试验台无法激振，达不到共振弯曲状态，当前条件下暂时无法基于该模型开展试验。

2.2 安装2根边管时有限元分析

图5为2根边管试件模型7阶、8阶模态计算结果，由此可知，2根边管模型2个方向的一次弯曲固有频率不相同，且差别较大，7阶时频率为21.819 Hz，8阶时为33.315 Hz，这是因为试件2个方向的刚度相差较大，试件弯曲振动的零点位置均在外侧法兰与主管的过渡处，而8阶弯曲模态中零位移点更靠外侧一些。

图5 一次弯曲振动模态

图6为2根边管试件模型一次弯曲振动模态对应的轴向应力分布情况，7阶模态中应力最大位置在单根的中间管壁处，8阶模态中应力最大位置在外侧法兰与主管过渡位置处。

由于2根边管试件一次弯曲振动形态的2个弯曲方向固有频率相差较大，应力分布也不同，采用旋转激振的方式仅能激发试件在其较低固有频率下达到共振弯曲状态，即7阶振动模态对应的固有频率21.819 Hz，在该共振弯曲状态下，试件中间横截面圆周上的交变弯曲应力幅值将不同，只有在刚度最小的方向上应力幅值最大，即图6（a）所示状态，因此，在这种共振弯曲状态下，不能检测到主管圆周方向疲劳强度最低的位置。间管壁处，7阶、8阶模态下应力分布位置一致，仅方向间隔90°。

图6 一次弯曲振动模态下的应力分布

2.3 无边管时有限元分析

图7 7阶、8阶振动模态

图8 7阶、8阶振动模态应力分布

由于无边管试件一次弯曲振动形态的2个弯曲方向固有频率一致，零位移点相同，应力分布也一致，因此可以采用旋转激振的方式激发试件达到共振弯曲状态，并且在试件中间横截面圆周上的交变弯曲应力幅值相同，完全满足共振弯曲疲劳试验的条件。

3 结论

本文的目的是想检测隔水管单根在未出现主管体焊缝疲劳破坏前，隔水管带边管并在弯曲情况下的密封性能。通过以上分析，获得以下结论：1）在隔水管振动弯曲疲劳试验台上试验具有一定的学术意义，可以获得主管与边管疲劳寿命的大概关系；2）隔水管振动弯曲疲劳试验台现有激振能力、安装条件暂不能具备；3）该试验方案是在考虑主管轴向应力最大时进行的试验，并没有实现最大弯矩。