含缺陷管道剩余强度和剩余寿命的研究

结合某采油厂实际数据,借助ANSYS软件平台建立了平底方形缺陷、椭圆平底缺陷、圆柱平底缺陷3种腐蚀缺陷,分别研究了其长度、宽度、深度、压力等因素对其剩余强度的影响,并对其进行寿命预测.结果表明,3种缺陷的几何尺寸对等效应力均存在临界值;在几何尺寸相同情况下,3种缺陷等效应力均随内压的增加而增大,平底椭圆形缺陷危害形最小,平底方形缺陷危害性最大.所得结论对于腐蚀管道的安全评价有一定的指导意义.     

带封隔器的注泡沫管柱受力分析及强度校核

采用聚合物强化泡沫驱油时,井口压力的大小会影响管内流体压力分布,进而影响管柱受力情况。分析不同井口压力下管柱三轴受力情况,对管柱进行强度校核,可以避免压力过大而破坏管柱和引发事故。当前还没有一套比较完整的带封隔器注泡沫管柱受力分析和强度校核的数学模型。在质量、能量和动量守恒定律的基础上,考虑泡沫流体压力、温度和密度的相互关系和封隔器上下不同受力规律,建立了管柱受力模型,对管柱进行了三轴应力强度校核。实例井检验结果表明:随井深增加,管柱所受泡沫流体的内压力增大;且井深越大,趋势越明显;随井口压力的增大,管柱内压力、封隔器以下外挤力相应增大,管柱三轴抗外挤强度减小,其他受力和强度值变化较小。此模型还可以对不同泡沫质量、泡沫种类及钢级等情况下的管柱进行受力分析和校核,为油田管柱的优选提供理论指导。     

双点腐蚀缺陷管道剩余强度的有限元分析

以X60管线钢双点腐蚀缺陷管道作为研究对象,根据油气管道的本身特点以及腐蚀机理,借助ANSYS有限元分析软件,考察双点蚀缺陷管道应力云图分布规律,通过改变双点蚀缺陷半径、深度和腐蚀间距,考察其对剩余强度和等效应力的影响规律.结果表明,最大等效应力出现在双点腐蚀缺陷周围区域;随着内压的增大,在未达到屈服极限时,等效应力与内压呈线性关系,当等效应力达到屈服极限时,随着内压的增加,等效应力维持不变,当等效应力超过屈服极限时,随着内压的增大,等效应力增加;随着双点蚀缺陷半径的增大,剩余强度呈增加的趋势,安全性提高;随着双点蚀缺陷深度的增加,剩余强度呈减小的趋势,安全性降低.所得结论对油气管道腐蚀与防护有一定的指导意义和参考价值.     

水泥环对套管抗内压强度的影响研究

通过有限元模拟,计算分析了水泥环对套管的抗内压强度影响。得出有水泥环保护下,磨损套管的剩余抗内压强度变化规律。同时,对水泥环缺失条件下进行有限元计算。分析水泥环缺失一定角度时对套管抗内压强度的影响,得出水泥环在缺失不同角度时套管剩余抗内压强度的变化规律。通过分析发现水泥环缺失一定角度产生应力的集中,套管抗内压强度会比无水泥环保护时更低,若此时套管同时发生磨损,对套管强度和井控安全影响巨大。     

套管腐蚀缺陷的规则化处理及抗挤强度分析

随着复杂结构井在石油钻采中的广泛应用,由腐蚀缺陷引起的套管挤毁失效问题日益突出,导致修井周期增大,开采成本增加,成为制约钻采效益的主要因素之一。针对上述问题,将GB/T 19624—2004含缺陷压力容器评定标准运用到含腐蚀缺陷套管的抗挤强度分析中,将不同形貌的套管腐蚀缺陷规则化处理。通过理论与仿真对比验证,建立了精确的含腐蚀缺陷套管有限元模型。利用ANSYS研究了不同腐蚀缺陷套管的抗挤毁强度。研究结果表明:在椭球型腐蚀缺陷长轴长度、短轴长度、缺陷深度和穿透型缺陷长度、宽度5个结构参数中,椭球型缺陷深度、短轴长度和穿透型缺陷的宽度是套管强度的最敏感参数。因此套管的抗挤强度分析应着重考虑腐蚀缺陷的影响。针对设计和使用的每种套管,都应考虑可预见的腐蚀缺陷进行精细化数值计算,以确保其安全工作。     

垂直井筒内悬挂管柱屈曲演变有限元分析

摒弃常规方法中管柱屈曲挠曲线的假设,建立垂直井筒内悬挂管柱的几何和接触双重非线性力学模型,虚拟较大的阻尼比,进行有限元计算。采用正向加载法得到管柱稳定的连续接触的螺旋屈曲构型;采用逆向加载法,根据螺旋屈曲构型,逐渐增加悬挂拉力,进行屈曲演变分析;并分析摩擦力和管柱长度对临界载荷的影响。结果表明:螺旋屈曲向正弦屈曲转变是突变的过程,屈曲模态构型包括螺旋屈曲构型、刚螺旋屈曲和正弦屈曲。摩擦力对临界载荷的影响甚微。随着管柱长度增加,各阶屈曲模态的临界载荷均逐渐减小并趋于常值。此方法适用于斜井、曲率井和水平井管柱的屈曲过程分析。     

圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究

进行了12个圆钢管混凝土短柱局压试验,探讨混凝土强度等级、局压面积比对钢管混凝土短柱局压极限承载力的影响.试验结果表明,混凝土强度等级提高,极限承载力增大而延性降低;局压面积比减小,则承载力越高延性越低.采用合理的材料本构关系,利用ABAQUS有限元软件建立圆钢管混凝土短柱局压的壳-实体三维有限元模型,在试验验证的基础之上,利用ABAQUS软件及相应的有限元模型探讨局压面积比、含钢率、钢材强度和混凝土强度对短柱局压极限承载力的影响.通过拟合分析提出圆钢管混凝土短柱局压极限承载力的实用计算公式,将该计算公式、有限元计算值、其他学者提出的计算公式与笔者试验及其他学者共47组圆钢管混凝土短柱局压试验资料进行对比,分析结果表明,笔者提出的公式计算结果与试验结果相比具有较高的精度.     

高压高产气井油管柱强度安全分析

随着越来越多的深层油气资源进行勘探开发,油气井管柱所处的工作环境也急剧恶化,尤其是高温、高压、高产井“三高”油气井。为研究高压高产气井油管柱强度安全,建立高压高产气井油管柱动力学模型,通过高压高产气井油管柱安全系数法和高压高产气井油管柱三轴应力法对高压高产气井油管柱强度进行校核,对高压高产气井油管柱基本应力和管柱尺寸对管柱应力的影响进行分析。结果表明：随着产量的增加,管柱的横向位移不断增大;在0～20 s内管柱(H300 m、H600 m,其中H为深度)的横向振动应力幅值比管柱(H1 660 m和H2 540 m)大,管柱横向应力振动幅值较大,随后振动应力趋于稳定;在0～10 s,管柱纵向应力振动幅值较大,且越靠近管柱下部管柱的纵向振动应力越大;管柱在井口位置处轴向力最大;大尺寸管柱有利于降低高速流体诱发管柱的振动问题。研究成果可为高压高产气井管柱设计提供理论指导。     

钢筋混凝土Z形柱轴压比限值的研究

对现有规程没有具体技术规定的Z形柱轴压比限值进行研究.基于平截面假设和异形柱轴压比限值大小偏压界限理论法,利用简便快捷的截面高斯积分计算Z形柱轴压比限值,分析了荷载角、截面尺寸、混凝土强度、配筋率等因素对Z形柱轴压比限值的影响.结论表明:荷载角对Z形柱轴压比限值影响明显,最不利荷载角为135°和315°;在最不利荷载角作用下,轴压比限值随混凝土强度增加有一定提高,轴压比限值随肢长厚比增加略有提高,纵筋配筋率变化对轴压比限值几乎没有影响.     

多裂纹结构剩余强度的均匀设计研究

多部位损伤会造成工程结构剩余强度的大幅下降。为了更好地探索不同因素对工程结构剩余强度的影响能力,以均匀设计的实验设计和有限元分析方法,探索了连通距离、宽度和深度等三个因素对于结构剩余强度的影响,并用非线性拟合得到经验公式。研究结果表明:连通距离在10~20 mm范围内,剩余强度与连通距离成线性关系,在裂纹宽度10 mm、裂纹深度0.75 mm、连通距离从10 mm增大到20 mm时,剩余强度从352.8 MPa增加到388.6 MPa;剩余强度与裂纹宽度在5~10mm的范围内成线性关系,在连通距离20 mm、裂纹深度0.75 mm、裂纹宽度从5 mm增加到10 mm的过程中,剩余强度从360.8 MPa增加到388.6 MPa;剩余强度与裂纹深度成四次多项式关系,裂纹深度从0.25 mm增加到0.75 mm的过程中,剩余强度的降幅大于40 MPa,其影响能力明显大于前两者。研究结果对于工程结构剩余强度的评估提供了有价值的参考。     

超声内检测含缺陷管道壁厚确定方法

超声内检测器检测含缺陷管道时,回波信号高度敏感于探头与管道的空间相对方位,是影响管壁厚度检测精度的关键影响因素之一。利用自主研制的A扫描超声内检测实验装置,针对DN219×7.48 mm、Q235碳钢外壁含体积型缺陷管道,开展超声探头与被测管道分别在正对状态和存在轴向错位、环向错位以及两种错位共存4种状态下的超声检测实验,获得了不同空间姿态下的回波信号。分析了回波信号的时域波形特征,基于提取的时域特征参数,建立了管道壁厚计算过渡方式,并确定了壁厚计算方法。发现能确定含缺陷管段壁厚的错位范围比确定无缺陷管段壁厚的错位范围小;轴向错位对信号中缺陷底面回波特征的影响比环向错位大。结果表明:提出的含缺陷管道壁厚计算方法能准确确定管道壁厚,计算壁厚与实际壁厚最大误差小于5%,说明检测精度满足工程需要。     

面缺陷尺寸对管道承压能力的影响分析

为了分析评价面缺陷尺寸对管道承压能力的影响,利用ANSYS有限元法对带有面腐蚀缺陷的大口径管道的应力水平进行了模拟。通过对承受一定内压力的带有不同长度、宽度和深度面缺陷的管道最大应力值进行计算分析,结果表明:随着缺陷长度的增加、缺陷宽度的减小或者缺陷深度的增加,管体的最大应力值增加,而且缺陷深度对最大应力及承压能力的影响程度远远大于缺陷长度和缺陷宽度     

套筒约束灌浆料与钢筋黏结强度试验研究

为了对装配式混凝土结构中套筒灌浆连接接头钢筋与灌浆料的黏结性能进行研究,设计了30个灌浆套筒连接节点进行拉拔试验,研究了钢筋锚固长度、灌浆料抗压强度、灌浆料厚度和钢筋直径四个参数对黏结强度的影响.试验结果表明：随着锚固长度增加,钢筋与灌浆料之间的黏结强度降低;随着灌浆料抗压强度增加,钢筋与灌浆料之间的黏结强度增加;随着灌浆料厚度的增加,黏结强度降低,对于12 mm的钢筋,当灌浆料厚度在9 ~ 11 mm之间时,灌浆料厚度对黏结强度影响较小,当灌浆料厚度超过11 mm时,影响显著增加;黏结强度随着钢筋直径的增加而增大.根据试验量测的套筒应变和隔离体受力平衡模型,得到了黏结强度与约束应力、灌浆料抗压强度的关系式,可供工程实际中套筒灌浆连接节点锚固长度取值参考.     

X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应

以试验测得的X80钢高温性能参数为基础建立了曲面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明：曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。     

内部爆炸作用下混凝土靶背面临界震塌条件

为研究内部爆炸作用下混凝土靶背面临界震塌条件,采用量纲分析对内部爆炸作用下有限厚混凝土靶背面震塌破坏进行研究,得到了量纲一的临界震塌厚度的工程计算式. 结果表明,当装药密度一定时,随着装药直径或装药长径比的增加,临界震塌厚度也非线性递增,且存在极限临界震塌厚度;研究表明,临界震塌厚度关于装药直径存在第二类自相似.      

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

基于等效缺陷尺寸在役焊接安全性评价研究

采用有限元模拟软件SYSWELD对X70管线钢在役焊接瞬时温度场进行模拟,综合考虑焊接熔池尺寸及高温区金属强度损失,运用强度路径积分法对焊接熔池进行等效。将等效熔池看作是体积型缺陷,基于等效缺陷尺寸对在役焊接安全工作压力进行计算,进而对输气管道在役焊接安全性进行评价。结果表明:随着壁厚增大,安全工作压力增大,安全性增强;管径增大,安全工作压力减小,安全性降低,等效缺陷长度修正因子可削弱这种影响;气体介质条件下安全工作压力与饱和水介质相比较小,同时气体压力、流速对安全工作压力影响较小,在一定壁厚下用常规空气冷却条件下的等效缺陷尺寸进行安全性评价是保守的。     

埋地灰口铸铁管失效预测模型及影响参数分析

针对研究解决早期埋设的灰口铸铁管存在的破损频繁、漏失严重等影响输配水安全问题,运用管土相互作用受力模型得到管道应力,结合灰口铸铁管的腐蚀模型、剩余强度评价方法和失效准则,得到管道失效预测模型,最终利用蒙特卡罗方法计算管道可靠度,并进行影响参数分析.计算结果表明:大直径管道失效主要由环向应力控制,而小直径管道失效多为纵向应力控制;由于渗漏或不均匀沉降引起的管道基础局部流失在腐蚀深度超过一定深度时对失效概率的影响较大;腐蚀模型参数、未支撑长度、剩余强度参数对安全因子分布具有重要影响.腐蚀是影响灰口铸铁管失效的重要因素,意在减缓腐蚀速度的管道防腐技术可以有效减少管道的失效频率,延长管道使用寿命.     

爆破荷载作用下不同尺寸埋地钢管的动态响应实验研究

爆破荷载作用下埋地管道的动态响应是城市爆破施工中亟需解决的问题,具有重要的理论和现实意义。在理论分析的基础上,通过改变药量、爆心距对不同尺寸埋地无缝钢管进行了现场爆破实验。结果表明:在正常工作压力下钢管内径和管壁厚度的比值越大,当量应力和当量应变越大,同时管道容许压缩应变值随管道内径与管壁厚的比值的增大而减小。通过实测数据分析发现:在相同条件下,S1拉应变为S2拉应变的41%;S2拉应变为S3拉应变的40%;S1压应变为S2压应变的23%;S2压应变为S3压应变的58%。在爆破荷载作用下管道截面三迎爆面环向拉压应变均随着管道内径与管壁厚的比值的增大而增大。实验中S3最易被破坏,S2其次,S1次之。在满足工程需要的前提下可在铺设管道时选择相对管壁厚、内径小的管道,能有效增加抗振性能。     

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤，建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型，结合海底管道实际工作条件的变化范围，分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律，将6个参数作为输入层参数，以管道损伤作为输出参数，将数值模拟结果作为训练样本，通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明：坠物撞击能量越大，管道损伤越大，管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓；管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加，管道损伤减小；饱和黏土海床不排水抗剪强度越大，管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型，仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数，模型简单、便捷，能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤，数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件，具有很好的适用性，为海底管道损伤预测提供了新思路。