一种海管修复用拖拉头及有限元分析设计方法技术

本发明专利技术公开了一种海管修复用拖拉头及有限元分析设计方法，包括牵引半球头、中间支撑柱和外套筒，中间支撑柱为圆柱状，中间支撑柱用于插入至被压成U型的内衬管的U型空间中，中间支撑柱的一端与牵引半球头固定连接，牵引半球头的平面端沿圆周直径开设有用于拖拉的凹槽，牵引半球头的平面端与套在内衬管外的外套筒固定连接；所述中间支撑柱与外套筒均对应开设有至少四组贯穿二者的安装孔，每组安装孔内均固定设置有固定件。本发明专利技术旨在提供一种适合在海管修复中用于固定在内衬管端部将内衬管穿插入海管的拖拉头，以及对拖拉头的有限元分析设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种海管修复用拖拉头及有限元分析设计方法
本专利技术涉及海洋石油装备
，尤其涉及一种海管修复用拖拉头及有限元分析设计方法。
技术介绍
内衬修复技术是一种延长海管寿命的方法，具体实施方法是选用略小于原海管内径的内衬管，通过压U设备，将内衬管压成U形，用绞车加拖拉头将内衬管拉入原海管中，通过膨胀设备将内衬管撑开，使内衬管与原海管紧密贴合，最后在两端使用端部接头与原海管连接。此种技术具有以下优点：介质在内衬管内部流动，与原管道内壁隔绝避免了原管道内腐蚀；具有承压能力，对原有管道有补强修复作用；内壁光滑，不易结蜡、结垢，可以减少摩擦阻力，提高输送效率；导热系数远低于钢管，有一定保温作用；单次施工可修复管线长度达5公里；可以嵌入光纤传感系统，实现管道的智能化在线监测；费用低，施工工期短。施工过程中需要使用专业的设备，比如内衬管拖拉过程中需要使用拖拉头，此设备可以保障内衬管穿插的顺利进行，承受缆绳牵引半球头所连接的内衬管的拖拉力。因此，现亟需一种适合在海管修复中用于固定在内衬管端部将内衬管穿插入海管的拖拉头，以及对拖拉头的有限元分析设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种适合在海管修复中用于固定在内衬管端部将内衬管穿插入海管的拖拉头，以及对拖拉头的有限元分析设计方法。为达到上述目的，本专利技术是通过下述技术方案予以实现的：一种海管修复用拖拉头，包括牵引半球头、中间支撑柱和外套筒，中间支撑柱为圆柱状，中间支撑柱用于插入至被压成U型的内衬管的U型空间中，中间支撑柱的一端与牵引半球头固定连接，牵引半球头的平面端沿圆周直径开设有用于拖拉的凹槽，牵引半球头的平面端与套在内衬管外的外套筒固定连接；所述中间支撑柱与外套筒均对应开设有至少四组贯穿二者的安装孔，每组安装孔内均固定设置有固定件。进一步的，每组安装孔在竖直方向上环向交错设置，相邻安装孔组之间的间隔角度为45°，位于最末端的安装孔组距离中间支撑柱末端55mm。进一步的，所述牵引半球头、中间支撑柱和外套筒均由304不锈钢构成，且牵引半球头与中间支撑柱焊接固定，牵引半球头与外套筒焊接固定。进一步的，所述内衬管包括内层、中间层和外层，内衬管的外层与内层由TPU构成，内衬管的中间层由凯夫拉纤维构成。本专利技术还具有一种海管修复用拖拉头的有限元分析设计方法，包括如下步骤：(1)在三维笛卡尔坐标系下对已设计出的拖拉头和内衬管建立三维模型，再进行划分网格转换为有限元模型，导入ABAQUS软件；(2)在有限元模型中输入拖拉头和内衬管的边界条件和载荷；(3)在有限元模型中输入拖拉头和内衬管的材料参数；(4)以0.01s为单个载荷步，总共进行100次求解，根据输入有限元模型中的边界条件、载荷和材料参数，使用ABAQUS软件对拖拉头的最大应力、内衬管中间层的最大应变进行分析；(5)对拖拉头与内衬管的接触部位、受力部位提取单元应力应变分析结果；(6)将分析结果与设计标准进行对比验证设计方案是否可行。进一步的，步骤(1)的有限元模型中，牵引半球头与中间支撑柱，固定件与支撑柱，固定件与外套筒、牵引半球头与外套筒的接触方式分别定义为Tie接触，固定件与内衬管的接触方式定义为surf-to-surf接触。进一步的，步骤(2)中的边界条件为约束拖拉头端部的侧向位移，约束内衬管的位移和转角，载荷为拖拉头的拉动传递至内衬管的拉力。进一步的，步骤(3)中的材料参数为拖拉头的屈服强度，内衬管中间层的弹性模量、泊松比、剪切模量和断裂伸长率，内衬管内层与外层的弹性模量和泊松比。进一步的，步骤(6)中的对比标准为拖拉头与内衬管的接触部位、拖拉头的焊接部位的最大应力应小于304不锈钢的屈服应力与安全系数的乘积，内衬管中间层的最大应变小于凯夫拉纤维的断裂伸长率与安全系数的乘积，所述安全系数为0.85。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术解决了海管修复过程中内衬管穿插工序缺少专用工具的问题，通过使用拖拉头固定在内衬管的端部，配合绞车将内衬管拉入原海管中，有效缩减了施工周期。而且通过有限元分析，能够对应不同管径大小的内衬管验证设计的拖拉头是否可靠，避免拖拉头在施工过程中破损而残留在海管中，提高了使用的安全性。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中外套筒内的结构示意图；图3为本专利技术的使用状态图；图4为内衬管的结构示意图。附图标记：1-牵引半球头，2-中间支撑柱，3-外套筒，4-固定件，5-内衬管，6-凹槽，7-安装孔，51-内层，52-中间层，53-外层。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。如图1至图4所示，一种海管修复用拖拉头，包括牵引半球头1、中间支撑柱2和外套筒3，中间支撑柱2为圆柱状，中间支撑柱2用于插入至被压成U型的内衬管5的U型空间中，中间支撑柱2的一端与牵引半球头1固定连接，牵引半球头1的平面端沿圆周直径开设有用于拖拉的凹槽6，牵引半球头1的平面端与套在内衬管5外的外套筒3固定连接；所述中间支撑柱2与外套筒3均对应开设有至少四组贯穿二者的安装孔7，每组安装孔7内均固定设置有固定件4，每组安装孔7在竖直方向上环向交错设置，相邻安装孔组之间的间隔角度为45°，位于最末端的安装孔组距离中间支撑柱2末端55mm；所述牵引半球头1、中间支撑柱2和外套筒3均由304不锈钢构成，且牵引半球头1与中间支撑柱2焊接固定，牵引半球头1与外套筒3焊接固定；所述内衬管5包括内层51、中间层52和外层53，内衬管5的外层53与内层51由TPU构成，内衬管5的中间层52由凯夫拉纤维构成。本专利技术的有限元分析设计方法，包括如下步骤：(1)在三维笛卡尔坐标系下对已设计出的拖拉头和内衬管5建立三维模型，再进行划分网格转换为有限元模型，并导入ABAQUS软件。拖拉头外形采用四面体网格划分，固定件4部位采用4mm全局网格尺寸，其余部位采用8mm全局网格尺寸。通过几何清理功能，删除了螺钉上不影响计算结果的局部小倒角，以保证网格质量，本实施例中所建立用于分析的内衬管5模型长度为拖拉头长度的3倍，拖拉头共计划分22358个节点，93408个单元，内衬管5将厚度方向划分三层网格，分别对应外层53、中间层52和内层51。内衬管5共计划分46024个节点和33954个单元。在有限元分析中，需要定义不同部分的接触方式，其中牵引半球头1与中间支撑柱2，固定件4与支撑柱2，固定件4与外套筒3、牵引半球头1与外套筒3的接触方式分别定义为Tie接触，固定件4与内衬管5的接触方式定义为surf-to-surf接触。(2)在有限元模型中输入牵引半球头1、中间支撑柱2、外套筒3和内衬管5的边界条件和载荷，边界条件为约束牵引半球头1端部的侧向位移，约束内衬管5的位移和转角，载荷为牵引半球头1的拉动传递至内衬管5的拉力，本实施例中为施加10t的拉力载荷，约束内衬管5另一端的位移和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海管修复用拖拉头，其特征在于：包括牵引半球头、中间支撑柱和外套筒，中间支撑柱为圆柱状，中间支撑柱用于插入至被压成U型的内衬管的U型空间中，中间支撑柱的一端与牵引半球头固定连接，牵引半球头的平面端沿圆周直径开设有用于拖拉的凹槽，牵引半球头的平面端与套在内衬管外的外套筒固定连接；所述中间支撑柱与外套筒均对应开设有至少四组贯穿二者的安装孔，每组安装孔内均固定设置有固定件。/n

【技术特征摘要】
1.一种海管修复用拖拉头，其特征在于：包括牵引半球头、中间支撑柱和外套筒，中间支撑柱为圆柱状，中间支撑柱用于插入至被压成U型的内衬管的U型空间中，中间支撑柱的一端与牵引半球头固定连接，牵引半球头的平面端沿圆周直径开设有用于拖拉的凹槽，牵引半球头的平面端与套在内衬管外的外套筒固定连接；所述中间支撑柱与外套筒均对应开设有至少四组贯穿二者的安装孔，每组安装孔内均固定设置有固定件。


2.根据权利要求1所述的一种海管修复用拖拉头，其特征在于：每组安装孔在竖直方向上环向交错设置，相邻安装孔组之间的间隔角度为45°，位于最末端的安装孔组距离中间支撑柱末端55mm。


3.根据权利要求1所述的一种海管修复用拖拉头，其特征在于：所述牵引半球头、中间支撑柱和外套筒均由304不锈钢构成，且牵引半球头与中间支撑柱焊接固定，牵引半球头与外套筒焊接固定。


4.根据权利要求1所述的一种海管修复用拖拉头，其特征在于：所述内衬管包括内层、中间层和外层，内衬管的外层与内层由TPU构成，内衬管的中间层由凯夫拉纤维构成。


5.一种海管修复用拖拉头的有限元分析设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在三维笛卡尔坐标系下对已设计出的拖拉头和内衬管建立三维模型，再进行划分网格转换为有限元模型，导入ABAQUS软件；
(2)在有限元模型中输入拖拉头和内衬管的边界条件和载荷；
(3)在有限元模型中输入拖拉头和内衬管的材料参数；
(4)以0.01s为单个载荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海超，金磊，杜晓杰，刘军，许良彪，樊荣兴，曲伟首，
申请(专利权)人：中海油天津管道工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12