海上管中管結(jié)構(gòu)力學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

孫巧雷, 張輝易, 姚力萍, 李樂勤, 張圓圓, 馮定*

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院, 荊州 434023; 2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心, 荊州 434023)

在海上油氣鉆完井及生產(chǎn)過程中,由于需要隔絕海水、保護油氣作業(yè)過程中的內(nèi)部油氣傳輸通道,管中管(pipe-in-pipe,PIP)以其良好的安全保護、保溫、傳輸?shù)刃阅軓V泛應(yīng)用于墨西哥灣、中國南海、西非等海上油氣鉆完井作業(yè)中,所采用的PIP結(jié)構(gòu)包括外管(保護管)-輸流管、隔水管-鉆柱、隔水管-油管、隔水管-測試管柱等[1-4]。

隨著海上油氣勘探開發(fā)難度的不斷提高,水深的增大、海洋環(huán)境復(fù)雜因素的增多,海上管中管結(jié)構(gòu)的使用將越來越多[5-7];管中管作為海洋管道整個系統(tǒng)中重要而薄弱的部分之一,根據(jù)實際使用的海域、作業(yè)要求傳輸?shù)墓苤泄芙Y(jié)構(gòu)差異性明顯,隨著作業(yè)水深的持續(xù)增大,管中管出現(xiàn)破壞的可能性增加[8-9]?；诖?在對當(dāng)前國內(nèi)外海上管中管結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、動力學(xué)、橫向屈曲等研究現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上,現(xiàn)指出現(xiàn)有管中管結(jié)構(gòu)研究存在的不足,并對管中管后續(xù)研究提出相關(guān)的建議。

1 管中管結(jié)構(gòu)簡介

在海上油氣工業(yè)中,管中管結(jié)構(gòu)的外管一般設(shè)計為隔絕海水的承壓保護管,內(nèi)管設(shè)計為輸送油氣的通道,當(dāng)前海上使用的管中管系統(tǒng)主要有兩種[10]。

(1)完全填充的PIP。內(nèi)外管一般均為剛性管道,內(nèi)外管環(huán)空大部分或完全被填充了諸如聚氨酯泡沫、礦棉、氣凝膠、顆粒、微孔材料或陶瓷等絕緣材料或隔熱材料,使用的絕緣材料通常具有特別低的傳熱系數(shù),這樣的設(shè)計除了隔熱,還可以減少PIP接頭制造。

(2)未完全結(jié)合的PIP。如圖1所示,其中間一般在內(nèi)管上裝有扶正器或通過中間艙壁實現(xiàn)內(nèi)外管間隔,扶正器可能放置在指定的位置起到保護絕緣和扶正管道的作用;扶正器一般和內(nèi)管連接在一起,它們可以在外管內(nèi)滑動,從而允許內(nèi)外管之間的相對運動,局部環(huán)空可能填充部分保溫材料或作業(yè)液體,而在部分作業(yè)中(如隔水管-測試管柱、隔水管-油管)內(nèi)外管間環(huán)空甚至完全空置,形成純間隙管。

圖1 未完全結(jié)合的管中管[10]

完全填充的PIP結(jié)構(gòu)一般環(huán)空夾層與內(nèi)外管黏接,其可認為是復(fù)合管或夾層管(三明治),由于內(nèi)外管道之間的荷載傳遞機制,完全填充的PIP的結(jié)構(gòu)行為與單管或含間隙PIP結(jié)構(gòu)差異性較大,外部和內(nèi)部管道中的軸向力分布原理也不同,而當(dāng)前大部分學(xué)者所描述的管中管系統(tǒng)是指未完全結(jié)合的PIP,因此研究現(xiàn)狀分析也是針對未完全結(jié)合的PIP。

2 管中管靜力學(xué)分析

管中管主要用于承壓和提供各流體流動的通道,受外部海水和內(nèi)部輸流液壓力的影響,內(nèi)外管都可能產(chǎn)生強度破壞,當(dāng)前內(nèi)外管的靜力學(xué)破壞分析主要集中在承壓、屈曲及管中管塌陷等研究。

2.1 單管力學(xué)分析

2.1.1 承內(nèi)外壓

對于常規(guī)作業(yè)條件下的海上管中管結(jié)構(gòu),無論內(nèi)管還是外管,其結(jié)構(gòu)本身主要是用于承壓,其相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、校核可參照已有的陸上和海上承壓管進行設(shè)計分析。在考慮內(nèi)壓、管體屈服強度和抗拉強度的基礎(chǔ)上,海上輸送油氣管道可參照API RP 1111標(biāo)準(zhǔn)進行[11],對于主要承內(nèi)壓管體,其壁厚要求可按照內(nèi)壓破壞壓力進行計算;對于主要承靜水外壓管體,其壁厚可根據(jù)外壓破壞壓力或設(shè)計外壓進行計算[11]。

現(xiàn)有的一些研究表明,由于PIP的外管長期暴露于深水中的高靜水壓力下,使得外管產(chǎn)生坍塌或局部屈曲的可能性大,外管更容易發(fā)生故障。通常,估計并檢查管道的厚度以避免塌陷[12]。

2.1.2 屈曲

2.2 管中管塌陷與壓力傳遞

管中管結(jié)構(gòu)外管除因軸向壓力會產(chǎn)生軸向屈曲外,受外部環(huán)境載荷、海底地層局部坍塌、外部漁網(wǎng)拉動等影響,其局部也可能會產(chǎn)生橫向屈曲,即局部橫向塌陷,這種塌陷往往是通過外管傳遞到內(nèi)管,從而產(chǎn)生局部或整體管道塌陷破壞?；诤Ｉ瞎苤泄芟到y(tǒng)的幾何特征,相關(guān)學(xué)者確定了管中管的4種主要塌陷傳播模型[15],在傳播模型Ⅰ中,外管的局部塌陷導(dǎo)致內(nèi)管同時坍塌,兩個管道的塌陷開始沿管道傳播。對于傳播模型Ⅱ,外管的塌陷開始傳播,使內(nèi)管部分塌陷,兩種傳播模式都只有一個穩(wěn)態(tài)傳播情況。在傳播模式Ⅲ中,外管的塌陷開始沿著剩余長度在內(nèi)管上傳播,使其略微損壞但沒有塌陷;隨后,開始同時塌陷,兩個管道的第二穩(wěn)態(tài)坍塌傳播。在傳播模型Ⅳ中,外管的塌陷最初在內(nèi)管上傳播,使其完整并且到達管道的遠端,然后發(fā)生第二穩(wěn)態(tài)傳播,影響兩個管道的部分塌陷。無論哪種塌陷模式,首先產(chǎn)生塌陷主要是單管,隨后由于內(nèi)外管間隙較小,外管的塌陷會導(dǎo)致內(nèi)外管局部接觸,從而引起內(nèi)外管間的壓力傳遞及內(nèi)外管塌陷,內(nèi)外管間的壓痕影響一般也是如此[16]。

2.2.1 單管塌陷及其壓力傳遞

海上管道一般會受到外部較高壓力,在外部壓力作用時,管道會因外壓變化產(chǎn)生不同形變,且壓力會在管體內(nèi)部和內(nèi)外管間傳遞。當(dāng)前對于管道的壓力傳播主要是基于Palmer和Martin環(huán)面坍塌(平面應(yīng)變)理論、管壁的彎曲效應(yīng)進行[17],該模型只考慮管道截面的初始和最終形狀,并假設(shè)管體是完全塑性材料。與常規(guī)不受外壓管不同,海上的管道在采用其屈服應(yīng)力一般需要單獨進行測量,目前應(yīng)用較多的是采用簡單的等徑雙壓頭對管柱進行環(huán)壁試驗(rapid software testing,RST)測量,管體的有效屈服應(yīng)力具體計算方法可參照文獻[18-20]的RST測試結(jié)果,實驗如圖2所示。

圖2 環(huán)壁試驗(RST)實驗圖[19]

考慮到管道本身結(jié)構(gòu)抗壓傳播能力和平面應(yīng)變條件下的坍塌特點,以及在較低的徑厚比影響下,單管的傳播屈曲壓力與其有效屈服應(yīng)力、半徑及壁厚相關(guān)。此外受內(nèi)外壓及具體結(jié)構(gòu)變形影響,海洋承壓管道的屈服應(yīng)力變化不一致,Albermani等[19]通過高壓實驗和環(huán)壓實驗,對Palmer模型進行了進一步的修正,認為海洋管道外壓下的壓潰由“雙環(huán)”直至平坦,如圖3所示?；诖?Alrsai等[20]對傳播壓力進行了進一步修正。

圖3 屈曲傳播變形示意圖[20]

Albermani等[19]還通過室內(nèi)倉加壓實驗、理論和數(shù)值的方法對管柱的平均屈服壓力和壓力傳播進行了分析,理論與實驗、仿真結(jié)果基本一致,同時研究指出外壓是管壁壓力傳播的關(guān)鍵參數(shù),此外為管柱的直徑與壁厚的比值,即D/t也非常關(guān)鍵。

Alrsai等[21]認為具有理想圓形截面的單個管道的坍塌壓力可以用彈性管在均勻外壓作用下的屈曲的經(jīng)典表達式來近似,基于上述基礎(chǔ),其得出了坍塌壓力與內(nèi)外管外徑、壁厚、內(nèi)徑、屈服應(yīng)力、彈性模量之間的關(guān)系,并指出了PIP在外壓作用下的兩種主要的失效模式。

2.2.2 管中管的塌陷及其壓力傳遞

與單管相比,管中管的坍塌則更復(fù)雜,Kyriakides等[22]、Lee等[23]為了研究雙管在外壓下的坍塌特性,在假定壁厚很薄、不考慮直徑比的影響下,利用平面應(yīng)變條件和應(yīng)變硬化行為,根據(jù)每個載體和內(nèi)管中4個塑性鉸鏈的發(fā)展,提出了PIP系統(tǒng)傳播壓力的模式,獲得雙管為“雙環(huán)”變形下的壓力傳遞公式,該理論顯示雙管屈服應(yīng)力比與外管和內(nèi)管之間厚度比呈二次關(guān)系。

為了更加精確推導(dǎo)管中管“雙環(huán)”變形的壓力傳遞公式(圖4),Alrsai等[24]基于高壓艙和環(huán)壓試驗的實驗觀察,對PIP系統(tǒng)傳播壓力的表達式進行了修正,修正后的傳遞壓力公式考慮了內(nèi)外管的外徑、壁厚以及內(nèi)外管材料的屈服應(yīng)力,內(nèi)外管的材料屈服應(yīng)力通過RST實驗獲得,后續(xù)還利用驗證過的有限元模型進行了全面的參數(shù)研究,得到了內(nèi)外管間不同壁厚比、直徑比和材料屈服應(yīng)力比下的PIP系統(tǒng)的屈曲擴展壓力。

圖4 管中管典型塌陷擴展模式[24]

除上述研究外,黨學(xué)博等[25]根據(jù)海底管道保溫需求,按照所提出的雙層管結(jié)構(gòu)特點,應(yīng)用靜力學(xué)基本方法對內(nèi)外管的軸向力、變形、應(yīng)力計算公式進行了推導(dǎo),并結(jié)合實例說明了雙層管的主要應(yīng)力集中點位于內(nèi)管和單層的連接處以及焊縫附近;龔順風(fēng)等[26]在對含腐蝕缺陷管道進行深海壓力作用下的屈曲失穩(wěn)壓力和變形分析基礎(chǔ)上,結(jié)合ABAQUS建立的單管三維仿真模型,進行了不同管道幾何形狀、材料特性下的失穩(wěn)壓力變化規(guī)律研究,并基于所設(shè)計的屈曲避雷器開展了實驗和理論研究[27];在忽略海流和海床不平度的基礎(chǔ)上,趙天奉等[28]結(jié)合Hobbs屈曲模態(tài)求解公式[29]和改進的Riks算法,應(yīng)用有限元法對剛性連接的海底雙層管道屈曲進行了分析,結(jié)合缺陷工況[30],對外管和海床的側(cè)向和軸向摩擦因數(shù)分別進行了定義,研究指出雙管具有較好的熱穩(wěn)定性,但在熱載影響下內(nèi)管較易產(chǎn)生應(yīng)力集中,研究建議通過控制環(huán)空間隙改善內(nèi)管臨界屈曲載荷。

車小玉等[31]應(yīng)用ABAQUS 軟件進行了400 m海底埋設(shè)型高溫管道發(fā)生隆起屈曲的影響研究,獲得了混凝土層厚度、覆土高度、溝槽底部不平整高度等與隆起屈曲的臨界溫度載荷間的關(guān)系;還基于Hobbs原理建立了海底管道垂向屈曲模型,對隆起屈曲的理論解析過程進行了說明,通過理論分析、數(shù)值仿真和實驗說明,把雙層管等效成單層管,理論計算出來的臨界軸力比數(shù)值模擬和實驗結(jié)果相比都偏小,側(cè)向屈曲比隆起屈曲發(fā)生所需要的臨界軸力要小[32]。在單層含缺陷管中管的橫向屈曲研究基礎(chǔ)上,張澤超等[33]、Wang等[34]、Zhang等[35]通過含有初始缺陷的雙層管道的試驗研究,對含初始缺陷管中管側(cè)向屈曲過程中的動態(tài)效應(yīng)的現(xiàn)象和原因進行了分析,并結(jié)合ABAQUS建立的管中管有限元軟件進行了動力隱式求解計算下含缺陷管中管橫向屈曲分析,提出了內(nèi)外管的最優(yōu)徑厚比、和內(nèi)外管徑比;王文明等[36]對深海垂直管中管載荷進行了分析,研究了連續(xù)油管在海洋立管內(nèi)部下入的正弦和螺弦屈曲問題以及外管影響下的連續(xù)油管軸力傳遞問題;王尊策等[37]基于梁-梁接觸理論建立采油內(nèi)外管間的摩擦接觸有限元模型,管間約束主要使用罰方法和拉格朗日乘子法定義,結(jié)合上述基礎(chǔ),進行了存在摩擦下的采油管柱屈曲分析,確定了厚度和彈性模量顯著影響PIP系統(tǒng)的失效模式。Davaripour等[38]基于有限元軟件研究了組合載荷(軸向和橫向載荷)對PIP試件橫向承載能力的影響,認為當(dāng)管內(nèi)受到軸壓時,PIP試件對側(cè)壓痕的結(jié)構(gòu)阻力顯著降低。Tafsirojjaman等[39]通過數(shù)值分析了不同荷載下的PIP失效模式,認為在所涉及壓力狀態(tài)下,橫截面橢圓度是影響PIP臨界失效的主要因素,其次是內(nèi)壓、壁厚及彈性模量。

在管中管靜力學(xué)領(lǐng)域,國內(nèi)研究以海上輸流管研究為主,代表性的研究者包括天津大學(xué)陳志華團隊[1,33-35]、浙江大學(xué)的龔順風(fēng)團隊[15,25-27]、中國石油大學(xué)(北京)的段夢蘭團隊[16,28,30-32]等?？傮w上,國內(nèi)外圍繞海洋管中管的靜力學(xué)主要集中在基礎(chǔ)強度、單管屈曲、管中管橫向屈曲等方面。

3 管中管動力學(xué)分析

除結(jié)構(gòu)強度和屈曲外,受外部動態(tài)環(huán)境載荷影響,管中管結(jié)構(gòu)的外管的變形可能是有限的,外管與內(nèi)管的作用是間歇式、局部的小范圍接觸,并不會產(chǎn)生局部或者全局的破壞,此時需要考慮內(nèi)外管間的接觸和相互作用特性從而對管中管動力學(xué)進行分析。

3.1 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)動力學(xué)方程

Nikoo等[40]、Bi等[41-42]通過在內(nèi)外管的環(huán)空中添加彈簧和阻力器將管中管結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(tuned mass damper,TMD)系統(tǒng)進行動力學(xué)研究,該方法主要基于TMD的抗震效能進行,其首先需要對TMD系統(tǒng)的剛度、阻尼、質(zhì)量比等參數(shù)進行計算[43-45]。

Nikoo等[40]改進的PIP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和簡化的分析模型如圖5(a)所示,該模型將同軸內(nèi)外管通過彈簧和緩沖器連接;系統(tǒng)簡化為由主振蕩器(外管)和輔助TMD(內(nèi)管)組成的兩自由度(二自由度)系統(tǒng),如圖5(b)所示,主振子特征參數(shù)包括質(zhì)量mo、線性剛度ko和恒定黏性阻尼系數(shù)Co,需要注意的是計算主振子(外管)質(zhì)量時需要考慮附連海水重量以及浮力效應(yīng)引起的質(zhì)量變化,彈簧和阻尼器為TMD質(zhì)量(內(nèi)管)提供剛性和阻尼。對于外管位于海水段,單位長度的橫向阻力可利用莫里森方程進行計算,對于位于地層段的管柱,將外管與土壤間采用線彈性彈簧進行約束,其基本分布如圖6所示,土壤彈簧剛度、土壤阻尼等特征值分析可參考已有文獻或相關(guān)的仿真結(jié)果進行確定。

ko、ki分別為系統(tǒng)外部和內(nèi)部的等效剛度;Co、Ci分別為系統(tǒng)外部和內(nèi)部的等效阻尼;mo、mi分別為外管和內(nèi)管的質(zhì)量;Ff為海水作用力

圖6 土壤彈簧沿外管橫截面的分布情況[41]

基于上述相關(guān)理論,Nikoo等[46]借助于MATLAB編程數(shù)值求解和ANSYS、ABAQUS等軟件仿真開展了管中管的渦激、渦激抑制等相關(guān)研究,提出了內(nèi)外管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部參數(shù)對內(nèi)外管振動的影響以及相應(yīng)的減振措施。

3.2 橫向動態(tài)承載方程

借助于深水管柱力學(xué)相關(guān)研究成果[47-48],孫巧雷等[3]、唐咸弟等[7]根據(jù)深水測試過程隔水管-測試管柱組成的“管中管”結(jié)構(gòu),建立了隔水管和測試管柱橫向動態(tài)受力模型。該模型考慮了流體與管柱間的牽連慣性力、相對慣性力、科式慣性力,并對流體和管柱間的摩阻、管柱運動引起的附連慣性力等進行了考慮,隔水管和測試管柱間的相互作用通過力進行傳遞。借助于上述理論,對隔水管和測試管柱上部的軸力、海流流速、平臺漂移量等對管中管體系橫向承載特性進行了研究;除此之外,借助于有限元軟件ANSYS和ABAQUS對內(nèi)管(測試管柱)不同工況下的應(yīng)力分布、動力響應(yīng)和安全強度進行了分析[49-50]。

除上述研究外,Zhou等[51]提出了一種方法,用于管中管模型的非線性靜態(tài)有限元應(yīng)力分析;Man等[52]、Yue 等[53]提出了用于計算頂張式管中管模型由于重力、壓力和熱膨脹引起的立管伸長率的數(shù)學(xué)模型;Falser等[54]基于連續(xù)油管與深海立管的管中管系統(tǒng),建立了管中管系統(tǒng)實驗臺,分析了管中管系統(tǒng)的接觸耦合作用,就傾斜角度和連續(xù)油管與外管徑向間隙的關(guān)系進行了分析,分析結(jié)果表明套管傾斜角度對軸力傳遞影響不大,立管軸向應(yīng)力與徑向間隙相互獨立,屈曲運動與徑向間隙相關(guān);賈杜平等[55]通過搭建相似實驗臺,進行了隔水管-測試管柱的振動實驗研究,結(jié)果表明,隔水管渦激會誘發(fā)內(nèi)外管的接觸碰撞;管志川等[56]結(jié)合深水鉆井隔水管和鉆柱的橫向承載,建立了管中管結(jié)構(gòu)的橫向承載特性方程,進行了鉆井導(dǎo)管和表層套管的橫向承載特性研究。

對于管間的相互作用問題,在忽略平臺運動情況下,劉紅兵等[57]基于梁單元,建立了考慮隔水管和測試管柱的耦合動力學(xué)分析模型、管柱間的接觸碰撞模型,并結(jié)合實例進行了管中管結(jié)構(gòu)的渦激疲勞分析;廖茂林等[58-59]基于深水鉆井管中管(隔水管-鉆柱)結(jié)構(gòu)特點,采用沿管柱增加彈簧-摩擦單元來模擬隔水管與鉆柱間的相互作用,并通過Heaviside方程來判斷是否觸發(fā)接觸位置的彈性力和摩擦力,由此建立了隔水管-鉆柱的管中管模型和內(nèi)外管相互作用模型,基于上述模型,應(yīng)用ABAQUS進行了隔水管外徑與壁厚、頂部偏移量、鉆壓和頂張力等對鉆井管中管系統(tǒng)的影響規(guī)律,并基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法進行了鉆井設(shè)計參數(shù)優(yōu)化分析;羅坤洪等[60]基于歐拉-伯努利梁理論,建立了雙層套管與油管微元的運動微分方程,并通過作用力的傳遞特征聯(lián)立形成了內(nèi)外管與油管的耦合振動方程,最后采用Newmark-β法進行MATLAB編程求解進行了頂張式立管的耦合振動分析;Liu等[61]基于管柱動力學(xué)基礎(chǔ),建立了三維管中管的內(nèi)外管動力學(xué)控制方程,管間的相互作用通過布置線性分布阻尼器、線性分布彈簧和非線性分布彈簧進行模擬,外管橫向流體引起的作用力主要通過已有渦激理論相關(guān)方法進行計算,模型求解方法主要基于伽遼金方法,在上述理論基礎(chǔ)上完成了管中管在橫流和軸流作用下的渦激振動分析,并提出了一種抑制渦激振動的方法。祝效華等[62]針對隔水管彎曲下的鉆柱振動特性,采用彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)(S-M-C)模式對鉆柱進行簡化,應(yīng)用ABAQUS軟件建立了隔水管與鉆柱的三維仿真模型,對于下部鉆具與井壁間的接觸過程應(yīng)用“接觸彈簧”來模擬,采用空間雙節(jié)點梁單元BEAM31、剛體殼單元 R3D4、剛體殼單元 R3D4、三維實體 C3D8R分別對鉆柱、鉆孔、鉆頭、巖石等進行建模,然后基于南海實例井?dāng)?shù)據(jù),進行了隔水管彎曲下的鉆柱振動特性研究。張崎等[63]采用多層管模型來模擬管中管結(jié)構(gòu),在ABAQUS中GAPCYL單元可以用來模擬兩根管(一根管置于另一根管中)之間的接觸,進行了頂張緊式立管管中管結(jié)構(gòu)的非線性時域分析。張俊斌等[64]結(jié)合頂部載荷變化及環(huán)境載荷影響,應(yīng)用有限元法進行了考慮內(nèi)外管彈性接觸下的管中管動態(tài)響應(yīng),并給出了扶正器安裝方案。范謹銘等[65]將中間層簡化為彈簧-阻尼系統(tǒng),通過拉普拉斯變換,得到了管中管結(jié)構(gòu)受迫振動控制方程及格林函數(shù)解,得到了不同邊界條件下結(jié)構(gòu)的隱式頻率方程和振型。

整體而言,當(dāng)前國內(nèi)在管中管動力學(xué)領(lǐng)域的研究逐步增多,代表性研究者包括中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院蘇義腦院士團隊[8,58-59],中國石油大學(xué)(北京)的高德利院士團隊[48]、楊進團隊[2],西南石油大學(xué)的劉清友團隊[55],中國石油大學(xué)(華東)的管志川團隊[56]、陳國明團隊[57]等,對于管中管存在的管間的相互作用,當(dāng)前以等效管或彈性阻尼處理方法為主。

4 結(jié)論及展望

縱觀海上管中管的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,其最基礎(chǔ)做法主要是基于單管的結(jié)構(gòu)理論進行靜力學(xué)變形、承壓、強度及屈曲分析;隨著水深的變化,管中管的結(jié)構(gòu)力學(xué)逐步發(fā)展,國內(nèi)外對其橫向塌陷傳播形式及塌陷特征逐步進行了深入描述,并推導(dǎo)了傳遞壓力計算方法。同時,結(jié)合海上管中管不同類型,管中管間的作用逐步被相關(guān)學(xué)者重視,并采用等效、彈性阻尼等形式進行動力學(xué)研究。但隨著海上管中管應(yīng)用水深的持續(xù)增大,當(dāng)前的管中管力學(xué)理論研究依然不充分,無法滿足深海油氣資源勘探開發(fā)需求,應(yīng)進一步深入研究,得出主要結(jié)論及展望如下。

(1)在海上油氣鉆完井作業(yè)中,由于管中管結(jié)構(gòu)具有良好的保溫、傳輸,并能減少風(fēng)浪流等海洋環(huán)境載荷對內(nèi)部流道的影響等特性,管中管結(jié)構(gòu)在海上油氣油氣輸送及鉆完井液的傳輸中應(yīng)用廣泛;隨著全球深水領(lǐng)域油氣勘探開發(fā)的增加、泥線溫度的降低及深水環(huán)境載荷不確定性增大,管中管在海上鉆完井中具有更多的應(yīng)用前景。

(2)受外部海水壓力、內(nèi)部輸送流體壓力的影響,管中管的內(nèi)外管均存在壓力破壞的可能,目前可采用API RP 1111標(biāo)準(zhǔn)等對壁厚進行校核;在安裝、下入及平臺生產(chǎn)作業(yè)時,由于管體的軸向承壓變化,內(nèi)外管可能出現(xiàn)局部軸向屈曲或橫向塌陷的狀況,此時,除要進行管柱的常規(guī)正弦或螺旋屈曲分析外,還應(yīng)結(jié)合內(nèi)外管的結(jié)構(gòu)尺寸、軸向載荷分布、管間的環(huán)空間隙等進行單管和管中管的塌陷及其壓力傳遞分析。

(3)對于管中管的整體承載與變形,目前主要采用等效管進行處理,即將內(nèi)外管的變形看作一致,載荷根據(jù)內(nèi)外管的界面尺寸和剛度進行等效處理,但受外部動態(tài)環(huán)境載荷及內(nèi)管內(nèi)部流體及內(nèi)外管上下邊界影響,管中管的內(nèi)外管存在局部接觸碰撞可能,目前針對內(nèi)外管間的相互作用,多基于梁單元理論、采用彈簧(剛度)-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)進行建模分析;在考慮摩擦影響時,當(dāng)前的分析主要借助于Orcaflex、ABAQUS等軟件進行。因此,對于內(nèi)外管存在接觸的狀態(tài),需考慮局部接觸、非線性接觸碰撞對內(nèi)外管動態(tài)特性的研究。

(4)管中管應(yīng)力集中點主要位于內(nèi)管和端部的連接處以及焊縫附近,內(nèi)外管的壁厚、直徑比、環(huán)空間隙、屈服應(yīng)力、軸向力是影響管中管強度、臨界屈曲載荷、傳遞壓力等特性參數(shù)的關(guān)鍵,控制內(nèi)外管的環(huán)空間隙能有效改善內(nèi)外管的塌陷及臨界屈曲載荷的傳遞;受外部環(huán)境載荷及實際作業(yè)工藝影響,常規(guī)管中管結(jié)構(gòu)的外管一般會承擔(dān)更多載荷,其產(chǎn)生破壞的可能性更大。

(5)由于海洋環(huán)境載荷、內(nèi)管輸送流、環(huán)空間隙液、上下邊界動態(tài)載荷影響,管中管局部的接觸碰撞可能為間歇性、非周期性的,目前尚沒有針對外部載荷-外管-環(huán)空流-內(nèi)管-內(nèi)流耦合作用的管中管動力學(xué)研究,也缺少內(nèi)外管非彈性-阻尼下的接觸碰撞特性與疲勞壽命分析;同時,對于隔水管-鉆柱等內(nèi)管轉(zhuǎn)動下的管中管力學(xué)研究,目前普遍忽略了內(nèi)管轉(zhuǎn)動、環(huán)空液和內(nèi)流流動引起的管中管動態(tài)響應(yīng),后續(xù)研究可深入探究多因素、復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的管中管流固耦合動力學(xué)機制。基于上述不足的深入研究,可進一步發(fā)展海上管中管結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)理論、深入管中管結(jié)構(gòu)動力學(xué)及其動態(tài)特性機理,推動中國深水管中管結(jié)構(gòu)設(shè)計安裝、安全控制能力,推進中國深水油氣勘探開發(fā)進展。