复杂载荷耦合协作对连续油管极限承载能力的影响研究

针对连续油管在作业过程极易发生自锁、承受高内压等极限工作载荷,且在该极限载荷下极易失效的问题,以经典塑性极限载荷力学模型为基础,基于CAE技术,建立连续油管数值计算模型;并利用实验结果验证数值计算结果的可行性。利用已验证的计算模型研究1(1/4)″和2(3/8)″型号的连续油管在拉伸载荷、弯矩载荷、内压和挤压载荷下的承载能力。研究表明,在上述四种载荷中,得出内压和弯矩载荷是造成连续油管失效的主控载荷。根据计算结果,推荐了连续油管正常服役的载荷范围;并给出了不同载荷的极限载荷值。研究拉伸载荷、弯矩载荷、内压和挤压载荷对连续油管承载能力的影响,可有效避免连续油管提前发生失效和提高连续油管使用寿命。     

连续油管作业的数字孪生及其下入性

连续油管是油气行业的重要工具,实际作业下入过程的存在与传动理论分析结果差异较大,倒是现场作业面临多次下入,造成连续油管的安全隐患。针对其下入性问题,提出了连续油管的数字化模型,建立了下入过程的接触状态算法、载荷分析物理模型,对下入的全过程进行同步孪生,实现了对下入连续油管实时计算的管柱承载状态与强度校核,以及对连续油管下入性的全过程分析。结果表明：连续油管下入过程中的接触状态随下入深度实时变化,管径比和摩擦系数是下入过程自锁判定的显著影响因素。本研究所提出的分析方法可有效服务于连续油管现场作业以及实时作业安全评估,并为连续油管的使用寿命分析提供重要依据。     

基于特殊螺纹密封完整性的三轴设计系数研究

针对高温高压气井完井油管柱密封完整性问题，开展了基于88.90 mm×6.45 mm 110SS材料油管一种气密封特殊螺纹密封完整性分析的管柱三轴设计系数研究，研究中采用了API RP 5C5—2017国际标准螺纹性能试验评价方法，进行了高温和室温环境下A系全包络线载荷密封实验评价。基于气密封能判据，采用有限元模拟分析了不同VME（冯米塞斯等效应力）全包络线载荷2次循环工况的密封能和密封能倍数的变化规律并确定了危险载荷点。结果表明，通过API标准密封完整性实验评价的气密封特殊螺纹连接，需采用有限元进一步分析包络线载荷循环密封能及密封能倍数的变化规律，确定这种螺纹连接安全适用范围；同时开展了3种VME全包络线载荷2次循环后密封适用性分析，确定了高温和室温两种环境下螺纹安全适用包络线载荷范围及合理的三轴安全系数，并完成了1口高温高压气井完井油管柱安全分析和现场应用。提出的研究方法为管柱三轴设计安全系数的确定提供了有益指导。     

开口模型下内腐蚀缺陷管柱剩余抗内压强度

目前较少按开口模型研究缺陷管柱剩余抗内压强度,各因素对抗压强度的影响程度缺乏定量分析,较少考虑缺陷宽度、管柱径厚比等因素对强度的影响.根据非线性有限元方法,结合正交试验设计,按开口模型分析了内压载荷下缺陷管柱应力分布情况,研究了内腐蚀缺陷长度、宽度、深度、管柱外径、径厚比等参数对管柱剩余抗内压强度的影响规律.结果 表明:开口模型下含缺陷管柱抗内压强度低于端部约束模型与闭口模型.缺陷管柱无因次抗内压强度随缺陷深度增加呈线性关系降低,随缺陷长度的增加呈指数关系逐渐降低,抗内压强度随缺陷宽度增加先增大后降低;轴向沟槽形缺陷显著降低管柱的抗内压强度.缺陷深度与长度对无因次抗内压强度影响较大;管柱径厚与缺陷对无因次强度影响较小.以有限元计算结果为依据,建立了抗内压强度多因素预测模型,可为工程上含缺陷管柱抗内压强度评价提供参考.     

基于摩擦阻力系数的卡瓦闸板对连续油管夹持特性影响分析

针对连续油管作业过程中卡瓦闸板防喷器对其夹持时造成的划伤、缩颈并降低其使用寿命的问题,提出连续油管与卡瓦闸板之间摩擦阻力系数对其相互作用的影响。建立了卡瓦闸板夹持连续油管三维物理模型,基于弹塑性力学理论建立起其计算模型,以Ramberg-Osgood弹塑性模型为基础,采用数值模拟的手段分析了多种工况下不同摩擦阻力系数对连续油管最大Mises应力、轴向位移以及接触应力的影响。研究表明:适当增加摩擦阻力系数有利于减小连续油管上的应力集中,也有助于限制轴向位移避免划伤连续油管和造成卡瓦闸板崩齿,同时提高卡瓦闸板对连续油管的夹持效果。最终以屈服强度为指标,结合连续油管轴向位移量趋势变化给出摩擦阻力系数安全区间为0.4～0.6,旨在为连续油管安全作业提供参考。     

基于摩擦系数的连续油管钻桥塞力学特性研究

为明确摩擦系数对连续油管水平井最大钻塞深度的影响,对直井段采用软杆模型,弯曲井段采用刚杆模型,结合屈曲状态分析,设计了连续油管临界锁死判别准则,实现了不同摩擦系数情况下连续油管底部保持一定钻压的最大下入深度计算。研究结果表明:连续油管的屈曲一般发生在垂直井段。增加连续油管最大钻塞深度的有效办法是减小摩擦系数和减小底部钻压;同时会减小螺旋屈曲程度,但会一定程度上增加注入头载荷。研究内容和研究结果对连续油管钻塞作业提供一定的理论参考。     

局部减薄压力管道极限分析的弹性模量缩减法

为求解含局部减薄缺陷水电站压力管道的极限承载力,提出了该类管道极限分析的弹性模量缩减法。该方法定义了表征单元接近塑性屈服程度的无量纲参数—单元承载比,提出了动态识别局部减薄管道高承载区域阈值基准承载比的计算方法,建立了相应的弹性模量调整策略,可通过基于塑性极限分析原理的线弹性迭代求解含局部减薄压力管道的极限荷载。算例分析表明:本文方法具有良好的计算精度和适用性;21组缺陷结构的计算结果与弹塑性增量法(EPIA)误差均在8%以内;局部减薄轴向长度、深度和周向长度对极限荷载影响依次降低,减薄轴向长度无量纲参数A/R0t超过2.4将可能使极限内压降低45%以上。本文方法可为含缺陷管道结构极限分析和安全评估提供参考。     

含局部减薄弯管的塑性极限载荷分析

通过对有减薄缺陷弯管三维有限元模型的分析,研究了受内压弯矩联合作用时局部减薄缺陷与弯管塑性极限载荷的关系。局部减薄弯管的塑性极限载荷与减薄缺陷的形式有关,减薄的轴向尺寸、环向尺寸及深度对塑性极限载荷有不同的影响。弯矩与内压的比例对局部减薄弯管的塑性极限载荷也有影响。文中描述了局部减薄弯管的塑性极限载荷的变化规律及在不同情况下局部减薄弯管的失效模式.     

高温高压井测试油管轴向力的计算方法及其应用

针对高温高压井测试过程中油管受力及变形特点 ,在考虑油管螺旋屈曲段与套管之间摩擦力的情况下 ,提出了基于操作过程的计算测试油管轴向力的新方法。计算结果表明 ,摩擦力会改变油管轴向力的分布方式 ,使得轴向力分布与加载顺序有关。摩擦力大小和方向的改变 ,将使因高温高压产生的较大载荷无法向远处扩散 ,从而引起油管局部严重变形。该计算方法得到了室内模拟实验和常温常压井现场测试的验证 ,并成功地用于高温高压井的测试设计     

Ω环塑性极限载荷的确定

采用非线性有限元法对2种材料不同尺寸的Ω环模型进行了弹塑性计算，得到了各危险截面处的内压-应变曲线。依据2倍弹性斜率准则确定了各个模型的极限内压，进而求得内压单独作用以及内压和轴向位移联合作用下极限载荷与结构参数的关系。通过曲线拟舍得到了Ω环极限载荷的计算公式。极限载荷计算公式的建立为Ω环的设计与安全评价提供了依据。     

轴向载荷作用下连续管的抗内压/外挤分析

根据连续管在井下的应力状态,考虑轴向载荷,应用弹性失稳理论和von Mises屈服准则,对理想圆截面管进行抗内压分析,得出连续管的破裂压力.建立椭圆截面管的挤毁压力数学模型;运用有限元软件对连续管的挤毁压力进行计算机模拟分析;并对挤毁压力数学模型和有限元分析结果进行比较,二者吻合.     

连续管疲劳试验装置研制和实物试验研究

为了能比较真实地模拟连续管在实际作业工况条件下,即在弯曲和内压联合作用下的疲劳寿命,研制出了一套专门用来进行连续管低周疲劳寿命的实物试验装备。该装置可以在0￣70MPa的内压条件下测试直径范围为12.7￣88.9mm的连续管的疲劳寿命。通过对直径和壁厚为38.1mm×3.2mm的CT-80连续管进行初步实物试验,获得了连续管疲劳寿命(循环次数)与内压的关系曲线、连续管循环次数与胀径关系的曲线、连续管循环次数与椭圆度的关系曲线以及连续管循环次数与壁厚的关系曲线。实物试验结果与国际先进的软件预测结果一致。     

径向水平井造斜器内钻杆的弯曲状态分析

分析了连续管钻杆弯曲状态的各种影响因素及影响程度。结果表明 ,由于连续管材料变形强化度低 ,钻杆塑性变形有限 ,在分析钻杆反复弯曲应力状态时 ,可不考虑强化和塑性变形的面积效应。采用弹性刚塑性材料模型及平面应力假设 ,建立了内压作用下钻杆弹性层与曲率的关系以及钻杆的极限弯矩、应变中性层与轴向力、内压的关系。分析结果表明 ,钻杆弯曲主体的中性层随弯曲曲率的变化很小 ,但内压和轴向力对中性层的位置有明显影响 ;在内压和沿程阻力作用下 ,钻杆的弯曲表现为横截面变形的压弯特征和轴向弯曲的拉弯特征。这为控制钻杆的截面变形和设计造斜器滑道提供了理论基础。     

多荷载联合作用下含穿透裂纹接管安全评定

对多种荷载联合作用下含缺陷压力容器的安全评定目前仍无可靠方法.采用三维有限元方法,对含肩部穿透裂纹接管在内压和弯矩联合作用下安全评定所需的断裂比和荷载比进行求解.研究表明,断裂比可根据内压和弯矩作用下裂纹的应力强度因子KIs得到,KIs为仅受内压下应力强度因子与仅受弯矩下应力强度因子的线性加和.荷载比由实际外载、内压作用下接管极限内压p与弯矩作用下极限弯矩m求出,给出了内压和弯矩联合作用下接管极限荷载与p、m的关系.所得结论可用于内压和弯矩作用下含肩部穿透裂纹接管的安全评定.     

连续油管的工作能力计算

连续油管的刚度小 ,在承受纵向压力载荷时易发生正弦形、螺旋形弯曲 (失稳 ) ,因而难以承受有效的压力载荷 .讨论了连续油管在受压缩载荷时发生正弦和螺旋形弯曲的条件 ;建立了任意井眼轨迹时连续油管受力模型 ,提出了起升、下放作业时的力边界条件 ,从而可以确定连续油管的作业能力 .它包括是否可以下达预定井底并以期望的作业力进行作业 ,确定连续油管各点的受力大小和方向以判断该作业是否安全 .如果靠简单下放连续油管在井底不能实现预定作业力 ,则应使用加力器并在连续油管内部打压 ,采用迭代法求解 .同时 ,给出了简单下放和下放打压的计算实例 ,结果与实际工作相吻合     

考虑正应力空间效应斜拉桥后期荷载状态评估

以宁波招宝山大桥为例,介绍了一种新的斜拉桥后期荷载受力状态评估方法.该方法考虑正应力空间效应,在将斜拉桥受力状态评估分为恒载受力状态评估和后期荷载受力状态评估的基础上,建立空间实体模型,得到测点响应理论包络,将其与测点实测响应进行比较来判断结构后期荷载作用下的状态.这种方法基于设计资料、施工资料,应用范围广,并能进行实时监控.