一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法技术

本发明专利技术提供一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法，其利用专用测量工具测定多层非粘结柔性管的结构参数，通过材料拉伸实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数，借助有限元前处理软件对多层非粘结柔性管三维几何模型进行网格划分，考虑层内、层间摩擦接触，建立柔性管三维有限元模型，并利用非线性有限元分析软件ABAQUS进行计算，得到多层非粘结柔性管在弯矩作用下的应力特征。基于各功能层的von Mises应力峰值和各功能层相应的材料屈服强度，计算确定各功能层在当前载荷工况条件下的安全系数，以各功能层安全系数最小值为依据，实现快速评价多层非粘结柔性管抗弯性能的目的。其对认清弯矩作用下多层非粘结柔性管的应力分布特征、明确多层非粘结柔性管的抗弯性能，确保作业安全具有十分重要的意义。

A rapid method for evaluating flexural properties of multi layer Unbonded flexible pipes

The present invention provides a multi-layer non bonded flexible pipe bending performance evaluation method, the determination of non bonded flexible multilayer using special measuring tools of structural parameters, the material tensile test to determine the multi-layer non bonded flexible pipes of each functional layer for mechanical parameters of materials, with the help of finite element pre-processing software to mesh multi-layer non Unbonded flexible pipe geometry model, considering the contact friction layer and interlayer, a three-dimensional finite element model of flexible pipe, and calculated by the nonlinear finite element analysis software ABAQUS, get the multilayer non bonded flexible pipe under bending stress characteristics. The functional layer of the von Mises should yield strength and peak force of each functional layer of the corresponding material based on the determined function layer in the current load conditions to calculate the safety factor, the function layer safety coefficient minimum value as the basis, to achieve the purpose of rapid evaluation of the flexural performance of multilayer non bonded flexible pipe of the. It is very important to understand the stress distribution characteristics of multi layer Unbonded flexible pipes under the action of bending moment, and to make sure the flexural properties of multi layer flexible tubes.

【技术实现步骤摘要】
一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法
本专利技术涉及油田钻井
，特别是一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法。
技术介绍
非粘结柔性管道是海洋油气资源开采中必不可少的装备，随着人类深海进军步伐的不断迈进，其所面临的海洋环境也越来越恶劣，柔性管受到的弯曲载荷也越来越大。为了确保柔性管能满足苛刻的服役环境，应在使用前评估其抗弯性能。全尺寸实物实验是评价柔性管综合力学性能的可靠方法，然而其费用高、周期长，且不能直观地反映复杂载荷作用下柔性管内部的受力特征。采用数值模拟手段评价柔性管综合性能是对实验评估方法的有力补充。针对海洋工程中非粘结柔性管道的特点国内外学者其结构分析上做了大量的工作。然而非粘结柔性管道的结构分析非常复杂，目前大部分研究人员所用模型要么对模型作了大量简化，要么未考虑层间摩擦接触特征，因此所得结果与柔性管真实受力特征存在一定的差距。本专利建立柔性管三维全尺寸有限元模型，考虑层内、层间的摩擦接触，分析典型载荷作用下柔性管各层间的相互作用，结合弯矩作用下柔性管的应力分布状态特征，确定多层非粘结柔性管各功能层抗弯安全系数，形成柔性管的抗弯性能快速评价方法。
技术实现思路
针对当前多层非粘结柔性管抗弯性能评价方法中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种确定多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法，以更好地反映柔性管在真实复杂载荷工况条件下的受力特征，保证其使用安全。采用三维有限元分析方能有效地模拟多层非粘结柔性管在外载作用下的应力特征，从而实现柔性管抗弯性能的有效评价。为了达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法，采用测量、实验和三维有限元计算方法，得到弯矩作用下多层非粘结柔性管的应力特征，在此基础上对其抗弯性能实现快速评价。具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测量多层非粘结柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维全尺寸几何模型；4)利用有限元前处理软件对柔性管进行网格划分，建立柔性管三维有限元模型；包含内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；6)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结柔性管进行计算分析，得到多层非粘结柔性管的vonMises应力分布云图；7)分析多层非粘结柔性管各功能层vonMises应力峰值及分布状态，确定柔性管各功能层的抗弯安全系数，取各功能层安全系数最小值作为多层非粘结柔性管的抗弯安全系数，实现多层非粘结柔性管抗弯性能的快速评价。上述的多层非粘结柔性管为任何一种目前使用的多层非粘结柔性管。本专利技术与现有技术相比较，具有以下突出的优点：本专利技术提供一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价的新方法，采用三维有限元分析技术对柔性管的抗弯性能进行综合评估。相比实物实验评价方法，三维有限元评价方法具有更快速、更经济的特点，且能清楚地反映柔性管内部的受力特征。相比现有柔性管有限元分析方法，本专利技术所用方法能较好地体现柔性管层内、层间的摩擦接触行为，确定柔性管在真实载荷工况条件下的应力特征。附图说明图1是多层非粘结柔性管抗弯性能评价方法的流程图。图2是多层非粘结柔性管三维几何模型示意图。图3是多层非粘结柔性管三维有限元模型示意图。图4是典型弯矩作用下柔性管vonMises应力分布云图。其中(a)抗拉铠装层内层，(b)抗拉铠装层外层，(c)整体。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术专利进一步说明。一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法，其根据测量、实验和三维有限元计算方法，确定柔性管在弯矩作用下的应力特征，进而评价多层非粘结柔性管的抗弯性能。所述的测量、实验和三维有限元分析包括如下过程：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测量多层非粘结柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维几何模型，如图1所示；4)利用有限元前处理软件对多层非粘结柔性管进行网格划分，建立其三维有限元模型，如图2所示；5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间的接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；6)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结柔性管进行计算分析，得到多层非粘结柔性管的vonMises应力分布云图；7)分析多层非粘结柔性管各功能层vonMises应力峰值及分布状态，为了保证柔性管使用安全，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：式中，Si为第i功能层的安全系数，σi为第i功能层的vonMises应力峰值，σsi为第i功能层所用材料的屈服强度。取各功能层安全系数的最小值，可得多层非粘结柔性管的安全系数S＝min{Si}，实现多层非粘结柔性管抗弯性能的快速评价。实施例：利用三维有限元分析技术确定多层非粘结柔性管的抗弯性能利用本评价方法对某多层非粘结柔性管进行评价，该包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层。利用CAD几何建模软件建立柔性管三维几何模型，如图2所示。利用有限元前处理软件对柔性管进行网格划分，建立其三维有限元模型，如图3所示。根据材料试验，该柔性管各层所用材料的材料参数如表1所示。层内、层间的摩擦系数取0.1。表1柔性管主要材料参数在300kN拉伸载荷的基础上，对柔性管施加1887.33N·m的弯矩，得到柔性管的vonMises应力分布云图如附图4所示。由图4可见，在300kN拉伸载荷和1887.33N·m弯矩作用下，vonMises应力较高的区域主要集中在抗拉铠装层，同时由于层间的相互挤压呈现出波节状的应力分布模式，应力峰值为457.7MPa，尚未超过材料强度极限(498.7MPa)，柔性管未发生破坏失效。在300kN拉伸载荷和1887.33N·m弯矩作用下，各功能层vonMises应力峰值如表2所示。为了保证柔性管使用安全，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：式中，Si为第i功能层的安全系数，σi为第i功能层的vonMises应力峰值，σsi为第i功能层所用材料的屈服强度。各功能层的安全系数如表2所示，取各功能层安全系数的最小值，可得多层非粘结柔性管的安全系数S＝min{Si}根据上述公式及表2数据，可得该多层非粘结柔性管在300kN拉伸载荷和1887.33N·m弯矩作用下安全系数为1.08，大于1，因此在300kN拉伸载荷条件下该柔性管能承受1887.33N·m的弯矩。表2柔性管各功能层应力峰值及安全系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法，其特征在于，采用测量、实验和三维有限元计算方法，得到弯矩作用下多层非粘结柔性管的应力特征，在此基础上对其抗弯性能实现快速评价。具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测定多层非粘结柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维全尺寸几何模型；4)利用有限元前处理软件对多层非粘结柔性管进行网格划分，建立多层非粘结柔性管三维有限元模型：包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；6)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结柔性管进行计算分析，得到多层非粘结柔性管的von Mises应力分布云图；7)分析多层非粘结柔性管各功能层von Mises应力峰值及分布状态，确定柔性管各功能层的抗弯安全系数，取各功能层安全系数最小值作为多层非粘结柔性管的抗弯安全系数，实现多层非粘结柔性管抗弯性能的快速评价。...

【技术特征摘要】
1.一种多层非粘结柔性管抗弯性能快速评价方法，其特征在于，采用测量、实验和三维有限元计算方法，得到弯矩作用下多层非粘结柔性管的应力特征，在此基础上对其抗弯性能实现快速评价。具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测定多层非粘结柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结柔性管三维全尺寸几何模型；4)利用有限元前处理软件对多层非粘结柔性管进行网格划分，建立多层非粘结柔性管三维有限元模型：包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；5)利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义层内、层间接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；6)对模型施加工作载荷和边界条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：余荣华，狄勤丰，陈锋，袁鹏斌，王文昌，张鹤，
申请(专利权)人：海隆石油工业集团有限公司，上海大学，上海海隆石油管材研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31